TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Konetekniikan osasto PAULA HYNÖNEN VIERINTÄLAAKERIEN RASVAKESKUSVOITELU Diplomityö Tarkastaja Prof. Juha Miettinen Määrätty osastoneuvoston kokouksessa 6.4.2005
i TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Konetekniikan osasto / Koneensuunnittelu / Konedynamiikan laboratorio HYNÖNEN, PAULA: Vierintälaakerien rasvakeskusvoitelu Diplomityö, 101s., 12 liites. Tarkastaja: prof. Juha Miettinen Rahoittaja: UPM-Kymmene, Kaukas Heinäkuu 2005. Tämän työn tavoitteena on selvittää keskusvoitelujärjestelmästä johtuvia vierintälaakerien rasvavoitelun ongelmia. Työssä perehdytään vierintälaakerin rasvavoitelun toimivuuden tekijöihin sekä esitellään toimivuuden arviointiin käytettäviä sekä puhtaan että käytetyn rasvan testimenetelmiä. Keskusvoitelujärjestelmistä tarkastellaan yksi- ja kaksilinjaisen järjestelmän laitteita ja annostimia sekä yksipisteannostelua. Yksi tutkimuskohde on voitelurasvan annostuksen määrittäminen. Kenttätutkimukset ja mittaukset tehdään sellutehtaan kaksilinjaisen voitelujärjestelmän puhaltimista ja pumpuista sekä puhallinkuivaimen tuuletusilmamoottoreiden yksilinjaisesta voitelujärjestelmästä. Tavoitteena on etsiä ja tunnistaa voiteluvikoja laakereiden vaurioanalyyseillä sekä havainnoida voitelujärjestelmän ongelmakohtia sekä voitelun toimivuutta voitelurasva-analyysien avulla. Voitelurasvan annostuksen määrän tarkastelu perustuu eri laakeri- ja laitevalmistajien suosituksiin ja niitä verrataan käytännön tilanteisiin. Työssä on selvitetty myös tavallisten kunnonvalvonnan värähtelymittausten hyödyntämistä voitelutilanteen valvontaan vierintälaakerissa. Työssä tehtiin kartoituskysely rasvavoitelusta pääasiassa UPM:n tehtailla. Kartoituskyselyn ja työn tulosten avulla etsitään yleisiä rasvavoitelun ongelmia ja tulevaisuuden kehityskohteita. Työssä havaittiin, että rasvan viipymä keskusvoitelujärjestelmän putkistoissa on pitkä. Voitelujärjestelmässä rasvan vaihtuvuuden on pysyttävä riittävänä, ettei rasva menetä voitelukykyään. Rasvavoitelun etu kuitenkin on, ettei voitelu lopu rasvantulon estyessä kohteelle ja voitelutilanteen heiketessä. Työssä havaittiin laakerilämpötilojen vaihtelevan paljon ja putkistolämpötilojen jonkin verran. Joistakin laakerointijärjestelyistä löytyi puutteita rasvan kierrossa. Tämä ilmeni likaantuneena rasvana, vähäisenä rasvan kertymisenä laakeroinnin ulkopuolelle tai samalle puolelle laakeria kuin rasva tuodaan sisään. Rasvan poistuminen on yksi keskeinen ongelma etenkin puhaltimien ja sähkömoottoreiden laakereissa. Keskusvoitelun ongelmien aiheuttaja on rasvan koostumuksen muuttuminen ja öljyn erkaantuminen rasvasta voitelujärjestelmässä. Ongelmatilanteissa johtopäätösten tekoa ja rasvavoitelun hallintaa vaikeuttavat monet muuttujat, jotka vaikuttavat toisiinsa. Ongelmien hallintaa helpottava työkalu voitelusta vastaaville henkilöille olisi tarpeen. Jatkossa kunnonvalvontamittausten käyttämiseksi voitelutilanteen valvontaan täytyy etsiä sopiva menetelmä. Kohteiden lähellä rasvoille tehtäviä pika-analyysejä on kehitettävä.
ii TAMPERE UNIVERSTY OF TECHNOLOGY Department of Mechanical Engineering / Institute of Machine Design / Laboratory of Machine Dynamics HYNÖNEN, PAULA: Centralized grease lubrication of rolling bearings Master s Thesis, 101p., 12 appendices. Supervisor: prof. Juha Miettinen Sponsor: UPM-Kymmene, Kaukas July 2005. The goal of this study is to identify lubrication problems of rolling bearings which are caused by centralized grease lubrication system. In the Works the grease composition and the basic of grease lubrication of rolling bearings are introduced. A single-line and two-line systems are investigated and a survey of the problems in grease lubrication at UPM-plants is carried out. The problem is the separation of oil and thickener in central lubrication systems. Another problem is the exit of grease from bearing housings, especially in electric motors and blowers.
ALKUSANAT iii Kiitän Upm-Kymmene Kaukaan tehdasta diplomityön aiheesta, rahoituksesta sekä tuesta jota olen saanut työtä tehdessäni. Kiitän ohjausryhmääni UPM-Kaukaalla, johon kuuluivat kehityspäällikkö Jouko Horttanainen, ennakkohuoltoinsinööri Markku Miettinen, tehdaspalvelupäällikkö Markku Räisänen ja osastopäällikkö Risto Varala. Kiitoksen ansaitsevat myös ennakkohuoltomittaaja Jukka Tammelin ja Safematicin huoltoasentaja Reijo Kivistö. Työn valvojaa prof. Juha Miettistä kiitän opastuksesta, jota työtä tehdessäni olen häneltä saanut. Ennakkohuoltotarkastaja Reijo Aholaa kiitän opastuksesta värähtelymittauksiin ja matkan varrella saaduista neuvoista. Tampere 15.7.2005 Paula Hynönen Nuolialantie 48 A 214 33900 Tampere gsm 040-5522267
iv SISÄLLYS 1. JOHDANTO...1 1.1. Tavoitteet ja rajaus...4 2. VOITELURASVAT...5 2.1. Voitelurasvan rakenne...5 2.1.1. Rasvojen yhteensopivuudet...9 2.2. Voitelurasvojen ominaisuudet...10 2.2.1. Voitelurasvan vanheneminen...13 2.3. Rasvan ominaisuuksien ja toiminnallisuuden testaaminen...15 2.3.1. Käytetyn rasvan analysointi...19 3. RASVAKESKUSVOITELU...20 3.1. Keskusvoitelujärjestelmän laitteet...22 3.2. Yksi- ja kaksilinjainen keskusvoitelujärjestelmä ja annostimet...24 3.3. Voitelupatruuna...26 4. VIERINTÄLAAKERIEN RASVAVOITELU...26 4.1. Voitelumekanismit...28 4.1.1. Kalvonpaksuus rasvavoitelussa...31 4.1.2. Puutteellinen voitelu...34 4.2. Keskusvoidellun laakeroinnin rakenne...36 4.3. Voitelurasvan määrä ja jälkivoiteluväli...39 5. TUTKIMUKSESSA KÄYTETYT HAVAINNOINTIMENETELMÄT...43 5.1. Voitelutilanteen havainnointi värähtelymittauksin vierintälaakerista...45 6. RASVAKESKUSVOITELUN ONGELMIA...48 6.1. Kartoituskysely...49 6.1.1. Voitelurasva...49 6.1.2. Rasvavoidellut laakerit...52 6.1.3. Rasvakeskusvoitelu...54 6.1.4. Värähtely- ja lämpötilamittaukset...56 6.1.5. Rasvavoitelun kehittäminen...57 6.2. Soodakattilan kaksilinjainen järjestelmä...58 6.3. Puhallinkuivaimen kiertoilmapuhaltimen sähkömoottorien voitelu yksilinjaisella voitelujärjestelmällä...62 6.4. Voiteluvälien ja määrien vertailua...65 7. HAVAINNOT JA NIIDEN TARKASTELU...74 7.1. Soodakattilan voitelujärjestelmän huoltoraportit, laakerianalyysit ja pumput...74 7.2. Soodakattilan voitelujärjestelmän rasvanäytteet ja havainnot putkistosta...78 7.2.1. Sekundääri-ilmapuhaltimen laakerirasvanäytteet...81 7.2.2. Savukaasupuhallin neljän laakerirasvanäytteet...83 7.3. Puhallinkuivaimen moottorien voitelu...86 7.4. Laakereiden värähtelymittauksista tehdyt havainnot...89 8. JATKOTOIMENPITEITÄ...94 9. YHTEENVETO...95 10. LÄHTEET...99
LYHENTEET JA MERKINNÄT v A A pk A p-p a 3 AW B b f CF C/P (P/C ) D d d m Arrheniuksen vakio Amplitudin huippuarvo Amplitudin huipusta huippuun arvo Laakerin kestoiän laskennassa käytettävä, viskositeettisuhteesta riippuva kerroin Anti wear kulumisenestolisäaineet Laakerin leveys SKF:n käyttämä laakerikerroin Crest Factor Laakerin kuormitussuhde, SKF (FAG) Laakerin ulkokehän halkaisija Laakerin sisäkehän halkaisija Laakerin keskihalkaisija F e Aksiaalikuorman suhde radiaalikuormaan ( a ) F f 1 - f 6 Voiteluvälin lyhennyskertoimia E a ehd EP F a F r FTIR G H 1 H 10 H 50 h h c h cff h oil ICP k k f k y MGS Aktivoitumisenergia Elastohydrodynaaminen voitelu Extreme pressure, paineenkestolisäaine Aksiaalikuorma Radiaalikuorma Fourier Transform Infra Red Spectrometry Voitelurasvan määrä Rasvan käyttöikä 1 % vauriotodennäköisyydellä Rasvan käyttöikä 10 % vauriotodennäköisyydellä Rasvan käyttöikä 50 % vauriotodennäköisyydellä Öljykalvon paksuus Voiteluaineen keskikalvon paksuus Nestevoitelukalvon keskipaksuus Voiteluaineen puutteen aste Atomiemissiospektroskopia Reaktionopeusvakio FAG:n käyttämä laakerikerroin Laakerikerroin jälkivoiteluvälin määrittämiseksi yleisohjeella Motion Guard Select r
m n n h NLGI P a p PAO PTFE P u R R r r rpm S SD See S f S o SPM T t f t fq V V a VI vi Laakerin massa Pyörimisnopeus Reologinen indeksi (Herschel-Bulkley leikkausjännitys indeksi) National Lubricating Grease Institute, rasvan kovuusluokitus Anturin asento kohtisuoraan putken kiinnitysseinää Paine Polyalfaolefiini Polytetrafluorietyleeni Laakerin väsymiskuorma Yleinen kaasuvakio Puutteellisen voitelukalvon paksuus, dimensioton Voiteluaineen määrä voitelukalvossa, dimensioton Kierrosta minuutissa (pyörimisnopeus) Puutteellinen voitelutila Puutteellisen voitelun aste (starvation degree) Spectral emitted energy Vikaantumisraja Saentimen osuus tuoreessa rasvassa Shock Pulse Method Absoluuttinen lämpötila Jälkivoiteluväli Lyhennetty jälkivoiteluväli Laakerin vapaa tilavuus Anturin asento putken kiinnitysseinän suuntaisesti Viskositeetti-indeksi γ γ η η p Voitelun olosuhdekerroin Leikkausnopeus Voiteluaineen dynaaminen viskositeetti Rasvan plastinen viskositeetti κ Viskositeettisuhde ( ν ) ν 1 λ ρ ρ Voiteluaineen ominaiskalvon paksuus Tiheys Öljyn kokoonpuristuvuus korkeissa paineissa
τ τ 0 ν ν 1 v p v rms vii Leikkausjännitys Rasvan myötöraja Voiteluaineen kinemaattinen viskositeetti Voiteluaineen suhteellinen viskositeetti Nopeuden huippuarvo Nopeuden tehollisarvo
1. JOHDANTO Tämä työ liittyy laajempaan Tekes:in ja kotimaisen teollisuuskonsortion rahoittamaan tutkimusprojektiin "PROGNOS -teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka", ja kuuluu sen osaan Rasvavoideltujen kohteiden valvonta. Työ on tehty UPM:n Kaukaan tehtaalla tekniikka ja palvelut osastolla. Työ rajattiin sellutehtaan keskusvoitelujärjestelmiin. Kaukaan sellutehtaalla on 50 pääasiassa vierintälaakereita voitelevaa, rasvalla toimivaa keskusvoitelujärjestelmää. Osalla järjestelmistä on yhteinen pumppauskeskus ja ohjausjärjestelmä. Pienimmässä järjestelmässä on kaksi voitelukohdetta ja suurimassa yli kolmesataa. Keskusvoitelujärjestelmillä hoidetaan 74 % sellutehtaan voitelusta. Kaukaan voitelujärjestelmien toimittajan mukaan voitelujärjestelmissä on yli 6500 voitelukohdetta ja niiden ulkopuolelle jää 2000 kohdetta. Järjestelmissä on kaikkiaan kymmenen eri rasvatuotemerkkiä. Voitelujaksot vierintälaakereita voitelevissa järjestelmissä vaihtelevat 30 minuutista 5760 minuuttiin. Keskusvoitelujärjestelmät ovat kustannussyistä suuria kokonaisuuksia, joissa samaa rasvaa menee useaan erilaiseen käyttöympäristöön. Keskusvoitelulaitteistossa olevaan rasvaan vaikuttavat viipymä, jonka aikana se joutuu kestämään putkistovärähtelyjä ja lämpötila- ja paineenvaihtelut. Laakerin voitelutilanteeseen vaikuttavat useat tekijät kuten rasva, annostelu, rasvan sisääntuonti ja poistuminen, laakerointi, tiivistys, kierrosluku, kuormitus ja lämpötila. Rasvavoitelulle on ominaista ongelmien hidas kehittyminen. Ongelmien ratkaisu ja alkusyyn selvittäminen ei ole yksinkertainen tehtävä. Työssä selvitetään rasvakeskusvoitelun, laakerointijärjestelyn, rasvanvalinnan ja voiteluainemäärän aiheuttamaa puutteellista voitelua. Vaurioihin johtavia syitä selvitetään kartoituskyselyn ja esimerkkikohteista tehtyjen havaintojen avulla. Työssä pyritään tunnistamaan keskusvoitelun kokonaisuudessa olevia heikkouksia. Työssä käydään läpi rasvoihin, rasvakeskusvoiteluun, vierintälaakerin rasvavoiteluun ja voitelutilanteen havainnointiin liittyvää teoriaa. Työssä esitellään käytetyt havainnointimenetelmät, joilla ongelmia on pyritty kokeellistamaan tehdasolosuhteissa. Esimerkkitapausten tärkeimmät tulokset esitetään.
2 Voiteluainetta on pidettävä yhtenä laakerin osana. Yksinkertaisen rakenteen ja tiivistyksen vuoksi rasvavoitelu on huomattavasti edullisempaa kuin öljyvoitelu. Eri lähteiden mukaan rasvalla voidellaan kaikista valmistettavista vierintälaakereista 80 90 %. Voiteluteoriat pohjautuvat kuitenkin öljyvoiteluun ja sitä voi soveltaa rasvavoiteluun vain suuntaa antavasti. Rasvavoidellun laakerin elinikään ei pysty arvioimaan öljyvoiteluun perustuvalla elinikälaskennalla. Öljyvoiteluteorian viskositeettisuhteella voitelutilannetta ei pystytä luotettavasti arvioimaan. Voiteluaineen valinnassa viskositeettisuhteella voidaan päätyä rasvoihin, joiden perusöljyllä on korkea viskositeetti. Tutkimukset osoittavat kuitenkin öljyvoiteluteorian vastaisesti, että rasvavoitelussa viskositeetin kasvaessa voitelutilanne saattaa heiketä. Rasvavoitelun yleisyydestä huolimatta rasvamyynnin osuus on öljynvalmistajille pieni. Voitelurasvojen osuus voiteluainemarkkinoista on pudonnut alle 3 %:iin. Tähän on vaikuttanut mm. rasvan korvaaminen öljysumuvoitelulla sekä rasvojen laadun paraneminen. Rasvan laadun paraneminen pienentää kulutusta pidentämällä rasvanvaihtovälejä. Jotkut lähteet arvioivat rasvavoitelun vähenevän sen lämmönsiirtokyvyn ja kierrosnopeuksien aiheuttamien rajoitteiden vuoksi. Myös kehittyvät laakerimateriaalit vähentävät voiteluntarvetta. Jotkut taas arvioivat rasvavoitelun lisääntyvän rasvojen kehittyessä ja kestäessä yhä korkeampia kierroslukutekijöitä. Eri lähteiden tiedot voivat olla ristiriidassa keskenään, mikä sekoittaa voitelun hallintaa. Onnistuneen rasvakeskusvoitelun yksi tärkeä hyöty on voitelumäärän pieneneminen voitelukalvon pysyessä yllä tasaisella, lyhyellä syötöllä. Näin voitelutapa vähentää myös öljyisen jätteen syntymistä. Tämän hyödyn kanssa on ristiriidassa sähkömoottorivalmistajan ohje kaksinkertaistaa voitelumäärä keskusvoitelussa. Ongelmista kertoo myös voiteluaineen valmistajilta vaadittava takuu, etteivät lisäaineista erityisesti EP-lisäaineet vahingoita laakerin tai rasvan ominaisuuksia. Jälkivoiteluohjeistuksia on useita erilaisia ja ne poikkeavat toisistaan. Useimmat laskennalliset ja laitevalmistajien voiteluohjeistukset perustuvat manuaalivoiteluna tapahtuvaan uusintavoiteluun, jota sovelletaan keskusvoiteluun. Voiteluaineiden sekoitettavuuksista on myös toisistaan poikkeavia ohjeistuksia eri lähteistä. Laakerivalmistaja SKF:n mukaan ennenaikaisten laakerivaurioiden syynä on 36 % väärä rasvatyyppi tai väärä voitelumäärä. Laakerivaurioista epäpuhtaudet aiheuttavat 14 %, 16 % asennus ja 34 % tuntemattomien kuormien aiheuttama materiaalin
3 väsyminen. Väärin voideltu laakeri vaurioituu aina ennenaikaisesti. Laakerivaurioiden syitä ja niissä tapahtuneita muutoksia vuosina 1988-1998 on tarkasteltu kuvassa 1. Punainen diagrammi merkitsee vaurion syyn kasvua ja vihreä diagrammi vaurioiden syyn pienenemistä kyseisenä aikana. Diagrammien mukaan voiteluvirheet laakerivaurioiden syynä tarkasteluajanjaksona ovat hieman kasvaneet. Sen sijaan nollakuorma, korroosio, sähkövauriot ja pesän riittämätön tuenta laakerivaurion syinä ovat kasvaneet huomattavasti. Kuva 1. Muutokset laakerivaurioiden syiden jakaumassa vuosina 1988 1998. Punainen diagrammi merkitsee vaurion syyn kasvua ja vihreä sen pienenemistä. (SKF seminaarimateriaalia) Laakerivalmistaja FAG:n mukaan 0,35 % vierintälaakereista rikkoontuu ennen mitoituselinikää ja laakerivaurioista 80 % aiheutuu voitelu- ja epäpuhtausongelmista. Laakerivikojen syiden jakauma on esitetty kuvassa 2. Kuva 2. Vierintälaakerien vikaantumiseen johtaneita syitä. (FAG esitemateriaalia) Jakauman mukaan vanhentunut voiteluaine, soveltumaton voiteluaine ja puutteellinen voitelu ovat yleisimpiä laakerivaurion aiheuttajia. Tiivistimien kautta ja voiteluaineen
4 mukana laakeriin pääsevät epäpuhtaudet ovat myös merkittäviä vaurionaiheuttajia. Suurin osa edellä mainituista rasvavoiteluongelmista ovat seurausta manuaalisen voiteluhuollon ja keskusvoitelujärjestelmien käytännön toteutuksesta sekä käytetyistä voiteluaineista. 1.1. Tavoitteet ja rajaus UPM-Kymmene Kaukaan tehtaalla on vaurioitunut huomiota herättävästi rasvavoideltuja laakereita. Vaurioitumisen syyt ovat olleet epäselvät. Tämän vuoksi haluttiin tarkastella rasvavoitelun kokonaisuutta rasvasäiliöstä rasvan poistumiseen laakeripesästä. Tämän työn hyödyksi arvioidaan komponenttien käyttöiän piteneminen kun voitelu hallitaan paremmin. Pidemmän tähtäimen tavoitteena ovat yllättävien vaurioiden ja seisokkien väheneminen, jolloin kunnossapitokustannukset pienenevät, tuotantohäiriöt ja sitä kautta tuotantotappiot vähenevät. Yleinen hyöty on huomion kiinnittäminen rasvavoiteluun, rasvavoitelutiedon lisääminen ja tietojen yhteenkoonti. Tämän työn tavoitteena on selvittää keskusvoitelujärjestelmän virheellisiä rakenteita ja oppia tunnistamaan voitelujärjestelmästä johtuvia syitä vierintälaakerin rasvavoitelun ongelmiin. Rasvavoitelu voidaan toteuttaa elinikäisenä kestovoiteluna tai häviövoiteluna. Häviövoitelu voidaan toteuttaa keskusvoiteluna, voitelupatruunalla tai jaksottaisesti uusintavoiteluna. Tässä työssä käsitellään keskusvoitelua, jossa voitelurasvaa pumpataan putkia pitkin vierintälaakereihin. Rasvakeskusvoitelusta keskitytään yksi- ja kaksitoimisiin keskusvoitelujärjestelmiin. Esimerkkikohteiksi valikoitui suurin voitelujärjestelmä, joka on kaksitoiminen voitelujärjestelmä soodakattilalla ja sellun kuivatuskoneelta puhallinkuivaimen moottoreiden yksitoiminen voitelujärjestelmä. Työn aluksi mitattiin laakerien lämpötiloja lämpökameralla ja analysoitiin putkistorasvanäytteitä. Havainnointimenetelmänä käytettiin myös asiantuntijoiden tekemiä laakerivaurioanalyysejä. Soodakattilalla kohteiksi valikoituivat nopeakierroksiset pumput ja puhaltimet ja puhallinkuivaimella käytetty sähkömoottorityyppi. Seisokeissa havainnoitiin puhaltimien akselin suojakoteloiden alle kertynyttä rasvaa ja laakeripesiä avattiin ja niiden laakerointijärjestely tarkastettiin. Myös laakereista otettiin rasvanäytteitä, jotka analysoitiin. Värähtelyjä mitattiin ennen ja jälkeen voitelun samassa voitelujaksossa ja samalla määrällä rasvaa kuin keskusvoitelussa. Putkistovärähtelyt kartoitettiin yhdelle tarkastelukohteelle. Laskettiin
5 rasvan viipymiä putkistossa sekä rasva-annoksia eri menetelmillä. Työn aikana on tarkastettu keskusvoitelujärjestelmän vikojen ja laakereiden vikahistorioiden yhteyttä. Puutteellisen voitelutilanteen syitä oletetaan löytyvän niin keskusvoitelujärjestelmästä, laakerointijärjestelystä kuin voiteluaineen valinnasta ja annostelumääristä. 2. VOITELURASVAT Voitelurasvat ovat plastiseen muotoon saennettuja voiteluöljyjä. Rasvoja nimitetään käytetyn saentimen mukaan. Perusöljyn osuus voitelurasvoissa on yleensä 70 95 % ja saentimen osuus 5-30 %. Perusöljy on rasvan sisällä oleva öljy, joka käyttötilanteessa vuotaa ulos rasvasta ja voitelee. Voitelurasvan rakennetta on havainnollistettu kuvassa 3. Kuva 3. Voitelurasvan rakenne. (Miettinen 2001) Lisäksi rasvassa on pieni määrä lisäaineita. Saentimen määrää ja tyyppiä sekä rasvassa olevan öljyn viskositeettia ja lisäaineistusta vaihtelemalla valmistetaan rasvoja erilaisiin käyttölämpötila-, kuormitus- ja ympäristöolosuhteisiin. ( Airila et al. 1985b) 2.1. Voitelurasvan rakenne Voitelurasvan perusöljynä voidaan käyttää käyttötarkoituksesta riippuen mineraaliöljyjä, kasviöljyjä tai synteettisiä öljyjä. Suurin osa teollisuudessa käytettävistä rasvoista on mineraaliöljypohjaisia. Mineraaliöljyjen tärkeimmät hiilivetytyypit ovat - parafiiniset (tyydytettyjä ketjumaisia) - nafteeniset (tyydytettyjä rengasrakenteisia) - aromaattiset (tyydyttämättömiä rengasrakenteisia) Valtaosa mineraaliperustaisista voiteluöljyistä on tehty parafiinisista perusöljyistä. Synteettisiin nesteisiin kuuluvat - polyalfaolefiini (PAO) - polyoliesterit - polyglykolit
6 - silikoniöljyt Synteettisiin voiteluaineisiin perustuvat rasvat yleistyvät erityisesti kylmissä ja kuumissa käyttökohteissa. Synteettisistä perusöljyistä silikoni- ja fluoriöljypohjaiset rasvat sallivat muita korkeamman, yli 200 C käyttölämpötilan. Synteettisellä hiilivedyllä PAO:lla on hyvä hapettumisenkestokyky ja hyvät viskositeettiominaisuudet sekä kylmässä että kuumassa. PAO-perusteiset tuotteet soveltuvat erittäin hyvin rasvojen perusöljyjen valmistukseen. Polyoliesterit soveltuvat korkeita lämpötiloja sietävien rasvojen perusöljyiksi. Polyglykoleja on vesiliukoisia ja veteenliukenemattomia. Veteenliukenemattomia polyglykoleja käytetään hyvien viskositeetti- ja kitkaominaisuuksien vuoksi mm. kuumien laakereiden voitelussa ja erikoisrasvojen perusöljynä. Silikoniöljyjen käyttökohteita ovat esimerkiksi rasvojen perusöljyt ilmailutuotteissa. Myös kasviöljyjä käytetään perusöljyinä. Kasviöljyt ovat triglyseridejä ja luonnon estereitä. Kasviöljyistä voidaan valmistaa estereitä, joiden kylmäominaisuudet ovat paremmat kuin alkuperäisellä öljyllä. Pohjoismaissa käytetään rypsi- ja rapsiöljyjä. Taulukkoon 1 on koottu perusöljyjen ominaisuuksia. Taulukko 1. Erilaisten perusöljyjen hyviä (+) ja huonoja (-) ominaisuuksia. Mineraaliöljy Kasviöljy Synteettinen öljy + ei juuri vaikuta tiivistemateriaaleihin viskositeetti-lämpötila käyttäytyminen kylmäkäyttäytyminen hapettumiskestävyys korkeissa lämpötiloissa + hyvät kitkaominaisuudet + korkea leimahduspiste + biohajoavuus heikko hapettumisenkesto pysyvä jähmettyminen kylmässä käyttöiän lyhyys käyttölämpötilojen rajoittuneisuus hartsiontuminen koneiden pinnoille + parempi viskositeetti-indeksi kuin mineraaliöljyillä + kylmissä oloissa parempi juoksevuus kuin mineraaliöljyillä mineraaliöljyyn perustuvia rasvoja korkeampi hinta saattavat olla aggressiivisia elastomeereille Saentimet muodostavat voitelurasvojen toisen perusrakenneosan. Saentimena käytetään - metallisaippuoita (alumiini, barium, kalsium, litium ja natrium) - metallikompleksisaippuoita (alumiini, barium, kalsium, litium ja natrium) - orgaanisia ei-saippuayhdisteitä (mm. polyureakuituja, polytetrafluorietyleeniä PTFE) - epäorgaanisia yhdisteitä (mm. bentoniittisavi, silikageeli) Litiumsaippuarasvat ovat yleisimmin käytettyjä voitelurasvoja. Karan (1989) mukaan litiumsaippuarasvojen osuus teollisuusmaissa käytetyistä rasvoista on yli puolet. Sillä on useita hyviä ominaisuuksia kuten erinomainen leikkautumisenkestävyys, hyvä
7 lämpötilankesto, hyvät tiivistysominaisuudet, vedenkestävyys ja korroosionestokyky. Lisäksi litiumsaippuarasvan ominaisuuksiin on helppo vaikuttaa lisäaineistuksella. Kalsiumsaippuarasvojen parhaita ominaisuuksia ovat alhaiset valmistuskustannukset ja hyvä veden kesto. Kalsiumsaippuarasva ei emulgoidu helposti veden kanssa eikä näin ollen peseydy pois voitelukohteesta. Kalsiumsaippuarasvat kestävät hyvin kylmiä olosuhteita mutta niiden maksimikäyttölämpötila on rajoitettu noin 90 C tasolle. Natriumsaippuarasvojen käyttö on vähentynyt sen vesiliukoisuuden ja muiden ominaisuuksien muuntelumahdollisuuksien vähäisyyden vuoksi. Kompleksisaentimiin perustuvat rasvat kehitettiin kestämään korkeampia toimintalämpötiloja kuin perinteiset saippuarasvat. Kompleksisaippuarasvojen käyttö on yleistynyt vaativissa voitelukohteissa. Niiden vedenkesto on saippuarasvoja parempi. Kaupallisissa kompleksirasvoissa käytetään kalsium-, litium- tai alumiinikomplekseja. Tämän tyyppisillä rasvoilla päästään noin 150 170 C käyttölämpötiloihin. Orgaaniset saentimet ovat yleensä polyureakuituja tai hienojakoista polytetrafluorietyleeniä (PTFE). Polyureakuidut muodostuvat isosyanaattien ja amiinien välisissä reaktioissa. Tällaisilla saentimilla toteutetuilla rasvoilla on yleensä hyvät veden- ja lämmönkesto-ominaisuudet, jonka ansiosta rasvalle saavutetaan pitkä elinikä vaativissakin olosuhteissa. Polyurearasvoja käytetään kertavoideltujen laakerien voiteluaineena, jolloin rasvaa ei lisätä tai vaihdeta laakerin elinaikana. Polyurearasvojen pumpattavuusominaisuudet ovat saippuarasvoja huonommat, mikä rajoittaa niiden käyttöä keskusvoitelujärjestelmissä. Myös korkea hinta rajoittaa polyurearasvojen käyttöä. Eräät kaupalliset PTFE-paksuntimella ja fluoriöljyllä toteutetut voitelurasvat sallivat jopa 250 C käyttölämpötilan. Korkea hinta rajoittaa näidenkin voitelurasvojen käyttöä. Epäorgaanisista saentimista tärkein on bentoniittisavi, johon perustuvien rasvojen paras ominaisuus on laaja käyttölämpötila-alue. Tämä johtuu näiden rasvojen kyvystä vastustaa olomuotomuutoksia, koska niiltä puuttuu kokonaan sulamispiste. Bentoniittirasvojen valmistaminen on kuitenkin kallista, siksi niitä käytetään vain erikoissovelluksissa, joissa niiden kuumansietokykyä todella tarvitaan. Perusöljyn ja saentimen lisäksi rasvan toimintaan vaikuttavat lisäaineet. Lisäaineilla parannetaan rasvan voiteluominaisuuksia ja elinikää. Lisäaineilla voidaan tehostaa myös
8 voiteluaineisiin joutuvien epäpuhtauksien jakauttamista ja suojella voideltavia pintoja ympäristön kanssa tapahtuvilta reaktioilta. Voitelurasvatilavuudet ovat pienet ja voitelurasvalta vaaditaan pitkää toimintaelinikää, siksi rasvojen lisäaineistustarve on suurempi kuin voiteluöljyjen. Lisäaineet voivat vaikuttaa fysikaalisesti tarttumalla voideltaviin pintoihin tai kemiallisessa reaktiossa muodostamalla pintojen kanssa uuden yhdisteen. Useat lisäaineet ovat vaikutuksiltaan monitoimisia. Lisäaineiden valintaan vaikuttavat esimerkiksi suorituskyvyn parantaminen, yhteensopivuus pääkomponenttien ja muiden lisäaineiden kanssa, ympäristönäkökohdat, väri ja hinta. Taulukkoon 2 on koottu yleisimpien lisäaineiden tyypit, tunnusomaiset yhdisteet ja lisäaineen päätehtävä. Taulukko 2. Voitelurasvojen yleisimmät lisäaineet ja niiden tehtävät. Lisäaineen tyyppi Tunnusomaiset yhdisteet Lisäaineen tehtävä Kulumisenestolisäaineet, AW, Orgaaniset fosfori/typpi- ja Vähentävät kosketuksissa anti wear rikkiyhdisteet, olevien pintojen kulumista sinkkidialkyditiofosfaatit sekakitka-alueella Suurille kuormituksille ja hitaille nopeuksille. Paineenkestolisäaineet, EP, Orgaaniset rikki-, fosfori- ja Kasvattavat voiteluaineen extreme pressure typpiyhdisteet kuormankantokykyä. Suojaa mikrohitsausta vastaan. Rajuille kuormituksille. Aktivoituu sille ominaisessa lämpötilassa. Korroosionestolisäaineet Metallisulfonaatit, amiinioleaatit, Suojaavat metallipintoja hapen hiilihapot, ja kosteuden aiheuttamalta sinkkidialkyditiofosfaatit korroosiolta, happamien vanhenemistuotteiden neutralointi, tasapainottaa lisäaineita, jotka toimivat korroosion katalyytteina. Hapettumisenestolisäaineet Fenolioleaatit, alkyloidut Hidastavat kemiallista aromaattiset amiinit, rikkiä ja vanhenemista, vähentää liejun ja fosforia sisältävät yhdisteet lakanmuodostusta. Tällä on (erityisesti sinkkiditiofosfaatit) suuri merkitys korkeissa Kitkanalentajat Rasvaöljyt, rasvahappo-oleaatit, fosforiyhdisteet, PTFE Viskositeetti-indeksin parantajat (VI) Polyolefiineja ja metakrylaatteja kuormituksissa ja lämpötiloissa. Vähentävät kitkaa pintojen välillä etenkin alhaisissa nopeuksissa kuten käynnistys ja pysäytys. Vähentävät voiteluaineen viskositeetin riippuvuutta lämpötilasta. Tämä on hyvä erityisesti vaihtelevissa lämpötiloissa. Saadaan hyvät käynnistys ja kitkaominaisuudet kylmässä ja hyvä voitelukalvon muodostus korkeissa lämpötiloissa. Jähmepisteenalentajat Parantaa voiteluöljyn juoksevuutta kylmässä. Detergentit Natriumin, kalsiumin tai magnesiumin yhdisteitä Dispersantit Pitkäketjuisia polaarisia yhdisteitä Pitävät koneenosien pinnat puhtaina. Estää epäpuhtauksia tarttumasta toisiinsa pitäen lian pieninä hiukkasina.
Kiinteät lisäaineet Tartuntaa parantavat lisäaineet Väriaineet 9 Grafiitti, MoS 2, PTFE, oksidit ja fosfaatit, talkki Polyisobuteiini, olefiinipolymeerit, lateksi Kuormankantokyvyn parantaminen, tribokorroosion ja stick-slip ilmiön vähentäminen. Parantaa rasvan suorituskykyä ääriolosuhteiden aiheuttamissa rajavoitelutilanteissa. Parantaa voiteluaineen tarttuvuutta. Värillä erotetaan eri käyttöön tarkoitetut aineet toisistaan. Saentimen lisääminen voi heikentää perusöljyn ominaisuuksia. Saippuarasvojen saentimissa olevat metalliatomit toimivat katalyytteinä hapettumisreaktioissa ja aiheuttavat vanhenemista. Siksi lisäannostus korroosion- ja hapettumisenestoaineita voitelurasvoissa voi olla tarpeen. Kulumisenestoaineita (AW, anti wear) lisätään lähes kaikkiin voiteluaineisiin, jotka suunnitellaan toimimaan puhtaan hydrodynaamisen voitelun ulkopuolella. AW-lisäaineita ja paineenkestolisäaineita eli EP-lisäaineita (EP, extreme pressure) kutsutaan usein rajavoitelulisäaineiksi. Paineenkestolisäainepitoisuuden noustessa pienenee mm. voiteluaineen lämmönkesto, vedenerotuskyky, korroosionesto, yhteensopivuus keltametallien kanssa ja suoja mikropittingiä vastaan. Lisäaineita on käytettävä harkiten, koska yhden ominaisuuden parantaminen voi huonontaa muita ominaisuuksia. (Kunnossapitoyhdistys 2003) 2.1.1. Rasvojen yhteensopivuudet Pääsääntö on, että voiteluaineita ei sekoiteta keskenään. Voiteluaineiden keskinäistä käyttäytymistä ja kemikaalista rakennetta ei tunneta kenttäolosuhteissa. Sekoittuvien rasvojen lisäaineiden kemiat voivat kumota toisensa. Käytännössä sekoittumista ei kuitenkaan voi aina välttää. Rasvamuutosten yhteydessä on tarkistettava korvattavan ja korvaavan rasvan koostumus sekä keskinäinen sekoitettavuus. Perusöljyn, saentimen ja lisäaineiden sekoitettavuuden lisäksi on huomioitava myös sekoittuminen laakerin suoja-aineiden, tiivistemateriaalin ja pidinmateriaalin kanssa. Sekoittumisessa on huomioitava korkean lämpötilan aiheuttamat hajoamistuotteet. (Kunnossapitoyhdistys 2004) Tyypillistä sekoittumisessa ovat muutokset rasvasekoituksen jäykkyydessä. Sekoittunut rasva voi kovettua tai pehmentyä. Tämä johtaa rasvan huonoon pysyvyyteen voitelukohteessa ja kriittisten voitelupintojen riittämättömään öljyn saantiin. Rasvojen sekoittumisen välttämiseksi vaihtoehtona on täydellinen rasvavaihto tai perusteellinen rasvahuuhtelu laakerisijan rakenteen sen salliessa. (FAG 1998)
10 Sekoitettavuuksissa on ristiriitaisuuksia eri lähteissä. Kunnossapitoyhdistyksen (2004) mukaan perusöljyltään polyglykolipohjaisia voiteluaineita ei saa sekoittaa muun tyyppisen voiteluaineen kanssa. FAG ja Klüber sallivat kuitenkin sekoituksen esteripohjaisten perusöljyjen kanssa. FAG:n ja Klüberin ohjeet eroavat eniten silikoniöljyjen (fenoli) sekoitettavuudessa mineraali-, polyalfaolefiini (PAO)- ja metyyli silikoniperusöljyjen kanssa. Klüber (08.02) on tehnyt oman ohjeistuksensa sekoitussuhteella 50:50. Fag Infon mukaan perusöljyjen sekoitettavuus on esitetty liitteessä 1. taulukossa 47. Saentimien sekoitettavuuden FAG on eritellyt poistuvan ja lisättävän rasvan mukaan. Klüberin (08.02) ohje poikkeaa hieman FAG:n ohjeesta. Kunnossapitoyhdistyksen (2004) taulukossa on myös eroavuuksia muihin verrattuna. Eroavuuksia on mm. litiumja natriumsaippuarasvojen sekoitettavuudessa kompleksirasvoihin sekä bentoniitin ja urean kanssa että litiumkompleksisaippuarasvojen sekoitettavuudessa litiumsaippuaan ja bentoniittiin. Liitteessä 1 taulukossa 48 on esitetty saentimien sekoitettavuus, jossa saennintyypit on eritelty tarkemmin. Huomattavaa on varovaisuus litium- ja polyureapohjaisten rasvojen sekoitettavuudessa. Natriumsaippuoiden sekoitettavuutta lähde ei esitä. Käytettävän rasvan yhteensopivuus tiivistemateriaaleihin ja muovisten pidikkeiden kanssa on myös testattava. Materiaalit testataan laittamalla ne rasvaan runsaan viikon ajaksi. Tämän jälkeen mitataan tilavuuden, Shore-kovuuden, vetolujuuden ja murtovenymän muutokset. Rasvan yhteensopivuus elastomeerien ja muovien kanssa on liitteessä 1 taulukoissa 49 ja 50. Rasvojen lisäaineet voivat myös vaikuttaa toisiinsa. Lisäaineiden sekoitettavuus on varmistettava voitelurasvan valmistajalta. (Klüber 08.02) 2.2. Voitelurasvojen ominaisuudet Voitelurasvojen ominaisuudet riippuvat sen perusöljyn ominaisuuksista, saentimen määrästä ja tyypistä, lisäaineiden määrästä ja laadusta sekä valmistusprosessista. Saentimen osuus on ratkaiseva kovuuden, lämpötilankeston, vedenkeston ja mekaanisen stabiliteetin määrääjä. Saentimen laadulla on myös merkittävä osuus voitelurasvan hintaan. (Airila et al. 1985b) Keskeisiä rasvan ominaisuuksia ovat - kovuus - viskositeetti
- leikkauskestävyys - käyttäytyminen kylmässä - lämpötilan kesto - öljyn erottuminen - tippumispiste - hapettumisen kestokyky - veden kestokyky - korroosionestokyky - paineenkesto/kulumisenesto - pumpattavuus 11 Tärkein ja tunnetuin voitelurasvan ominaisuus on kovuus. Rasvojen kovuus eli tunkeuma määritetään NLGI (National Lubricating Grease Institute, USA) -luokituksen mukaan ja se kuvaa rasvan jäykkyyttä. Testauslaitteella lasketaan +25 C:n lämpötilassa olevaan rasvaan 150 grammaa painava standardikartio, jonka annetaan painua rasvaan viiden sekunnin ajan. Kartion tunkema matka ilmoitetaan 1/10 -osa millimetreinä. Tulos ilmastaan NLGI lukuna. Kuvassa 4 on kovuusmittauksen periaate ja taulukossa 3 rasvojen luokittelu NLGI kovuusluokituksen mukaan. Kuva 4. Kovuusmittauksen periaate. (Miettinen 2000) Taulukko 3. Rasvan kovuusluokat. NLGI numero ASTM tunkeutuma Olomuoto huoneen lämpötilassa (kymmenesosa millimetreinä) 000 445-475 Erittäin nestemäinen 00 400-430 Nestemäinen 0 355-385 Puolinestemäinen 1 310-340 Hyvin pehmeä 2 265-295 Pehmeä 3 220-250 Puolikova 4 175-205 Kova 5 130-160 Hyvin kova 6 85-115 Erittäin kova
12 Mitä suurempi NLGI-luokkaa osoittava luku on, sitä kovempaa on rasva. Voitelurasvan kovuus muuttuu, kun niitä vatkataan mekaanisesti. Useimmiten ilmoitetaan onko kyseessä vatkattu vai vatkaamaton tunkeuma. Näiden arvojen ero antaa kuvan rasvan kyvystä kestää mekaanista rasitusta. Myös lämpötila vaikuttaa rasvan kiinteyteen, mutta vaikutus kiinteyteen ei ole yhtä suuri kuin viskositeettiin. (Kara 1989) Liian pehmeä rasva vuotaa ulos laakerista ja aiheuttaa rasvan liiallista muokkautumista. Liian kova rasva luovuttaa hitaasti öljyä voitelukohteeseen josta seuraa vierintäelimien liukuminen. Keskusvoitelukäyttöön tarkoitetut vierintälaakerivoitelurasvat ovat kovuusluokkaa NLGI-000 - NLGI-2. Kovuusalueella NLGI 2-3 rasvan käyttäytyminen vierintälaakerissa on paras mahdollinen ja rasva valuu helposti vierintäuraan. Vierintäelimet eivät kaivaudu vapaiksi rasvasta ja rasva pysyy laakerissa myös akselin ollessa pystyasennossa. Perusöljyn viskositeetti (ν) on rasvan toinen tärkeä ominaisuus. Koska viskositeetti laskee lämpötilan funktiona, ilmoitetaan viskositeettiarvon ohella aina lämpötila. Perusöljyn viskositeetti ilmoitetaan kinemaattisena viskositeettina 40 C:ssa ja usein myös 100 C:ssa. Kinemaattisen viskositeetin yksikkö on mm 2 /s, joka vastaa senttistokea (cst). Viskositeetti ilmaisee rasvan kuormankantokykyä ja kitka- ja kulumiskäyttäytymistä samoin kuin virtausominaisuuksia. (Airila et al. 1985a) Rasvat ovat ei-newtonilaisia voiteluaineita eikä niiden leikkausjännitys ole lineaarisesti riippuvainen leikkausnopeudesta kuten öljyillä. Rasvoilla on ns. kynnysarvo ennen kuin leikkautuminen alkaa ja se voidaan esittää Herschel-Bulkley mallilla, p ) n τ = τ + η ( γ h ( 1 ) 0 jossa τ 0 on rasvan myötöraja, η p rasvan plastinen viskositeetti (rasvamassan viskositeetti), γ on öljyn dynaaminen viskositeetti voiteluainekalvossa ja n h reologinen indeksi (Herschel-Bulkley leikkausjännitys indeksi). Leikkausnopeuden kasvaessa leikkausjännitys käyttäytyy lineaarisemmin. Yonggang ja Jie (1998) esittävät uutta, tarkennettua reologista mallia litiumpohjaisille rasvoille. (Miettinen 2001) Voiteluöljyjen lineaarinen käyttäytyminen ja voitelurasvojen epänewtonmainen käyttäytyminen leikkausnopeuden suhteen on esitetty kuvassa 5. Rasvat ovat juoksevia
13 vasta myötörajan saavutettuaan. Tämän seurauksena niiden dynaaminen viskositeetti (η) pienenee leikkaussuhteen kasvaessa. Rasvojen viskositeetti riippuu - lämpötilasta - paineesta - leikkausnopeudesta ja sitä kutsutaan myös näennäiseksi viskositeetiksi. (Kara 1989, Airila et al. 1985a) Kuva 5. Öljyn ja rasvan leikkausjännitys leikkausnopeuden funktiona ja viskositeetti leikkausnopeuden funktiona. Vasemmanpuoleisesta kuvasta näkyy rasvalle tyypillinen myötöraja ja oikean puoleisesta kuvasta viskositeetin pieneneminen leikkausnopeuden kasvaessa. Yleisimmät laakerirasvat ja niiden ominaisuudet on koottu liitteeseen 2 taulukkoon 51. Taulukkoon on koottu käyttölämpötila-alue, tippumispiste, mekaaninen stabiilius, vedensietokyky, korroosionestokyky ja paineensietokyky. Ominaisuuksien lisäksi liitteessä mainitaan rasvan sopivuus vierintälaakereille sekä erityishuomioita rasvatyypistä. Taulukon hintasuhde on verrattu mineraaliöljypohjaiseen litiumsaippuarasvaan. Käyttölämpötilat ovat ohjearvoja, jotka riippuvat voiteluaineen koostumuksesta, käyttötarkoituksesta ja käyttömenetelmästä. Voitelurasvan käyttölämpötilan ylärajan on oltava selvästi odotetun maksimikäyttölämpötilan yläpuolella. 2.2.1. Voitelurasvan vanheneminen Voitelurasvan käyttöikä ilmoitetaan laboratorio-kokeiden perusteella. Rasvan eliniälle annetaan vauriotodennäköisyys. Rasvan käyttöikä H 10 on voimassa 10 % vauriotodennäköisyydellä. Käytön aikana tulevia epäpuhtauksia ei lasketa vanhenemiseen kuuluvaksi, mutta lisäainepitoisuuden pieneneminen käytön aikana liittyy vanhenemiseen. (Kunnossapitoyhdistys 2003, FAG 1998) Rasvan elinikään vaikuttavat - rasvan määrä ja rasvatyyppi
- lämpötila - kuormituksen suuruus ja laatu - laakerityyppi ja -koko - kierrostunnusluku - asennusolosuhteet 14 Metalleista erityisesti kuparilla on erittäin suuri katalyyttinen vaikutus voiteluaineen vanhenemiseen. Hyvin korkeat lämpötilat vaikuttavat rasvan vaihtoväliä lyhentävästi. Lämpötilalla on käytännössä suurin vaikutus voiteluöljyn vanhenemisnopeuteen, koska lämpötilan noustessa reaktionopeus kasvaa. Nyrkkisääntö on, että reaktionopeus kasvaa kaksinkertaiseksi lämpötilan noustessa 10 astetta. Lämpötilan vaikutusta reaktionopeuteen kuvataan Arrheniuksen yhtälöllä k ( E a / R T ) = A e ( 2 ) jossa k on reaktionopeusvakio, A on Arrheniuksen vakio, E a on aktivoitumisenergia, T on absoluuttinen lämpötila ja R on yleinen kaasuvakio. Kulumisenestolisäaineiden (AW) uuden kerroksen muodostuminen alkaa välittömästi edellisen poistuttua ja reaktiivisen metallipinnan paljastuttua. AW-lisäaineiden häviäminen on yksi voiteluaineen vanhenemisen syy. Saentimen aiheuttaman vanhenemisen takia voitelurasvoilla hapettuminen voi olla suurempi ongelma kuin voiteluöljyillä. (Kunnossapitoyhdistys 2003) Mineraaliöljypohjaisilla litiumsaippuarasvoilla rasvan lämpötilaraja on noin 70 C, jonka jälkeen voiteluaineen vanhenemisen vuoksi annostelua on lisättävä. Kalsiumsaippuarasvoilla lämpötilaraja on 40-60 C. Lämpökestävillä rasvoilla, joissa on mineraaliöljy ja lämpökestävä saostin, raja on rasvatyypistä riippuen 80-110 C. Kohtuullisessa lämpötilassa voivat korkean lämpötilan rasvat olla epäedullisempia kuin vakiorasvat. Tilapäisesti korkeissa lämpötiloissa on mahdollista voidella myös vähemmän lämpökestävillä rasvoilla tihentämällä jälkivoiteluväliä. Tällöin on valittava rasva, joka ei laakerissaoloaikanaan kiinnity ja vaikeuta rasvan vaihtumista. (FAG 1998) Öljyn nopea leviäminen voitelupisteeseen, öljyn luovutus saentimesta ja perusöljyn tarttuvuus ovat tärkeitä tekijöitä laakereiden suurilla kierrosnopeuksilla. Voitelurasvojen
15 kierroslukutekijä on rasvojen rakenteesta riippuva ominaisuus. Rasvan kierroslukutekijän ylittyminen voitelukohteessa nopeuttaa rasvan vanhenemista voimakkaasti. Ohjearvot odotettavissa oleville kierroslukutekijöille muutamille rasvakoostumuksille on taulukossa 4. Taulukko 4. Voitelurasvan ja perusöljyn viskositeetin vaikutus rasvan kierroslukutekijään. Arvot ovat ohjeellisia. (Klüber tuote-esite 08.02) Rasvatyyppi Perusöljyn viskositeetti Rasvan kierroslukutekijä 40 C lämpötilassa Mineraali/litium/MoS 2 1000-1500 50 000 Mineraali/litiumkompleksi 400-500 200 000 Mineraali/litiumkompleksi 150-200 400 000 Esteri/polyurea 70-100 700 000 Esteri/kalsiumkompleksi 15-30 1 600 000 Esteri/polyurea 15-30 2 000 000 Kierroslukutekijään vaikuttavat perusöljy, perusöljyn viskositeetti ja saennin. Rasvan kiinteyden ja kierroslukutekijän välillä ei ole välitöntä riippuvuussuhdetta. Saman kiinteysluokan rasva voi sopia laajalle pyörimisnopeusalueelle. Rasvan kierroslukutekijä riippuu myös käyttöosien tyypistä ja koosta sekä paikallisista olosuhteista mm. lämpötila alentaa sitä. (Klüber 08.02) 2.3. Rasvan ominaisuuksien ja toiminnallisuuden testaaminen Rasvan ominaisuuksien luokittelun tavoite on koota yhtenäinen ilmaisu voiteluaineiden soveltuvuudesta eri käyttötarkoituksiin. Luokitukset takaavat minimisuorituskyvyn ja normaaliolosuhteissa olemassa olevat luokitukset kattavat voitelutarpeet. Kaavamainen luokittelu ei tarkoita, että saman luokan tuotteet olisivat identtisiä tai sekoitettavissa. Yksittäiset testiarvot irrallaan kokonaisuudesta voivat luoda vääriä odotuksia. Esimerkiksi EP lisäaineistuksen vaikutusta eri aineilla on tutkittu neljänkuulankokeen avulla. Testissä myös maidolla ja oluella on saatu hyviä yksittäisiä tuloksia. (Kunnossapitoyhdistys 2003) Yksittäisen voiteluaineen ominaisuudet ja suorituskyky koostuu sen komponenteista ja niiden keskinäisestä vaikutuksista. Laadunvarmistuksessa ja toiminnallisessa testauksessa joudutaan käyttämään useita toisiaan täydentäviä testausmenetelmiä. Voitelurasvan voitelukykyä voidaan määrittää mm. erilaisilla ASTM- ja DIN - standardien mukaisilla kokeilla. Joitakin rasvan ominaisuuksien määrittämiseksi tehtäviä testejä on esitelty taulukossa 5.
16 Taulukko 5. Voitelurasvojen ominaisuuksia ja joitakin niitä testaavia menetelmiä. Testattava ominaisuus Leikkauskestävyys, Mekaaninen kestävyys Paineenkesto/Kulumisenesto Korroosionestokyky Veden kestokyky Öljyn erottuminen Tippumispiste Pumpattavuus Testi Vatkattu tunkeuma: Rasvanäytettä vatkataan astiassa 100000 kaksoisiskua. Testin jälkeen mitataan rasvan kovuus. Jähmeydessä syntyneet muutokset ilmaistaan 60 ja 100 000 iskun jälkeen 1/10- osa millimetreinä. rolling-test kaksoislieriökoelaite: Sylinterin sisälle laitetaan tietty määrä rasvaan ja rullalaakerin rulla jonka jälkeen sylinteriä pyöritetään 2 tuntia huoneen lämpötilassa. Tulos ilmoitetaan kovuusluokkana. SKF V2F -testi Neljän kuulan rasitustesti: Kolme kuulaa asetetaan rasvakuppiin ja neljättä kuulaa pyöritetään niitä vastaan. Kuormitusta nostetaan asteittain kunnes pyörivä kuula hitsaantuu kiinni kolmeen paikallaan olevaan kuulaan. FAG FE 8 -testi Emcor-testi: Testin aikana laakerissa on voitelurasvan ja tislatun veden sekoitus. Testi voidaan tehdä myös vaikeutetusti käyttämällä suolavettä tai siten että vesi virtaa koko testin ajan laakeroinnin läpi. Testin lopussa arvioidaan korroosio luvuilla 0 (ei korroosiota) ja 5 (hyvin vakava korroosio). Lasilevy päällystetään tutkittavalla rasvalla ja upotetaan tietyn lämpöiseen vesikylpyyn kolmeksi tunniksi. Rasvan muuttuminen ilmaistaan luvuilla, jotka ovat 0 (ei muutosta) ja 3 (huomattavia muutoksia) välillä. Koelämpötila ilmoitetaan myös. Määrittelee öljyn erkaantumisen painoprosenttina. Astia täytetään tietyllä määrällä rasvaa, joka punnitaan ennen koetta, ja sen päälle asetetaan 100 gramman paino. Sitten se laitetaan uuniin 40 C:een viikon ajaksi. Viikon kuluttua punnitaan, kuinka paljon öljyä on rasvasta sihdin läpi vuotanut ja se ilmoitetaan %:na massan pudotuksesta. Tippumispiste määritellään lämpötilaksi, jossa rasvanäyte alkaa valua tietyn kokoisen aukon läpi. Tippumispiste ei ole sama, kuin suurin sallittu rasvan käyttölämpötila laakeroinnissa. Safematicin testi suoritetaan lämpötilavälillä -30 o C +20 o C kahdella vakioputkikoolla, 5, 15 ja 30 minuutin pumppausajoilla. Rasvan pumpattavuus arvioidaan sekä putkistossa saavutettavalla maksimipaineella että pumppauksen jälkeen putkistoon jäävällä korkeimmalla sallitulla jäännöspaineella. Pumpattavuus ilmaistaan kullekin pumppausajalle annettavalla pumpattavuusluokkana, A F. Perusöljyn viskositeetin alenemisen ja saentimen pehmenemisen yhteisvaikutus ilmenee tippumiskokeesta. Tippumispisteen yläpuolella rasva menettää tärkeät ominaisuutensa kun sen rakenne hajoaa ja se muuttuu juoksevaksi. Voitelurasvoista erottuu öljyä pitkien säilytysaikojen kuluessa riippuen lämpötilasta. Öljyn erottuminen riippuu myös rasvan saentimesta sekä käytetystä perusöljystä. Öljyn erottumistestin periaate on kuvassa 6. Öljyn erottumisprosentista erilaisissa rasvoissa on esimerkkejä taulukossa 6.
17 Kuva 6. Öljyn erottumistesti DIN 51817. (Miettinen 2000) Taulukko 6. Erään testin tulokset öljyn erottumisesta erilaisissa rasvoissa. (Miettinen 2000) Rasvan saennin ja perusöljy Saenninpitoisuus (%) Öljyn erottuminen (% / 168 h / 40 ºC) Perusöljyn viskositeetti mm 2 / s / 40 ºC NLGI luku / Tunkeuma (mm/ 10 /25 ºC) Litiumsaippua+mineraaliöljy 8 4,3 150 2 / 265 Litiumsaippua+mineraaliöljy 5 14,0 150 2 / 292 Litiumsaippua+mineraaliöljy 2,5 41,2 150 0 / 378 Litiumsaippua+mineraaliöljy 5 31,9 22 0 / 354 Litiumkompleksisaippua+PAO 14 3,0 460 1,5 / 293 Litiumkompleksisaippua+PAO 15 2,4 100 2 / 235 Keskusvoitelujärjestelmässä rasvan vaatimukset kasvavat. Rasvan täytyy olla pumpattavaa ja palautua pumppauksen aiheuttaman paineen nousun jälkeen. Keskusvoitelussa rasvan pumpattavuus on tärkeä valintaperuste. Pumppaustapahtuman osatekijät ovat voiteluaineen määrä, lämpötila, paine, putken pituus ja halkaisija. Safematicin tekemä pumpattavuustesti suoritetaan testilaitteistolla joka mukailee keskusvoitelujärjestelmän toimintaa luonnollisissa olosuhteissa. Voitelurasvan pumpattavuus ilmaistaan kullekin pumppausajalle (5/ 15/ 30 minuuttia) annettavalla pumpattavuusluokkana, joista A on paras ja F huonoin. Testin putkistopituus on 72 metriä, josta Ø22 x 2 mm putkea 60 metriä ja Ø12 x 1 mm putkea 12 metriä. Pumpattavuusluokat on esitetty taulukossa 7. Taulukko 7. Safematicin pumpattavuustestin läpäisyluokat. Lämpötila o C missä kriteerit täyttyvät -30-20 -10 0 +10 +20 Pumpattavuusluokka A B C D E F Testissä pumppauspaine on 200 bar ja pumppauksessa saavutettavan paineen minimi on 130 bar. Paineenlaskussa 120 minuuttia purkautumisajalla putkiston jäännöspaineen
18 maksimi on 50 bar. Tarkasteltavalla putkistopituudella täytyy testattavan rasvan täyttää molemmat kriteerit. Vierintälaakerirasvat on vakioitu DIN 51825 mukaan. Niiden tulee esim. ylimmällä käyttölämpötilarajalla saavuttaa FAG:n vierintälaakerirasvan testauslaitteessa FE9 (DIN 51821) tietty käyntiaika H 50 (50 % laakereista vaurioitumatta). Rasvan kestoikää mitataan DIN 51821 testillä niin, että H 50 arvo on vähintään 100 tuntia +120 o C: ssa. Testin korkeampi marginaali H 10 tarkoittaa että 90 % laakereista kestää vaurioitumatta. Taulukossa 8 on esitetty muutama rasvoille laakereilla tehtävä toiminnallinen testi. FAG-FE9 vastaava testi on SKF ROF. Taulukko 8. Rasvoille tehtäviä toiminnallisia testejä. Testattava ominaisuus Rasvojen käyttöikä, käyntivastus ja kulumisenesto-ominaisuudet vierintälaakereilla Tyypillisiä testejä FAG- FE8 (DIN 51819) Kuormitus Matalat nopeudet Raskas kuormitus Testin pääparametrit Nopeus: 7,5-3000 rpm Lämpötila: 20-150 C Aksiaalikuorma: enintään 80000 N Rasvan voitelukyky ja toimivuus korkeissa lämpötiloissa Rasvojen käyttöikä, H 10 ja H 50 eliniät Rasvojen käyttöikä, H 10 ja H 50 eliniät SKF R2F FAG- FE9 (DIN 51821) SKF-ROF A. huoneen lämpötila B. 120 C Keskikuormitus Korkea lämpötila Korkeat nopeudet Keskikuormitus Matala kuormitus Korkea lämpötila A. Rasvaa voi käyttää suurissa rullalaakereissa normaalilämpötilassa, ei suurta tärinää B. Rasvaa voi käyttää suurissa rullalaakereissa korkeissa lämpötiloissa Aksiaalikuorma 1500-4500 N, vikaantumisaika 100-250 C, vikaantumisaika, ylin käyttölämpötila Nopeus: 1000-20 000 (30 000) min -1, vikaantumisaika Radiaalikuorma 800 N saakka, vikaantumisaika Radiaalikuorma 50-200N, aksiaalinen kuorma 100 N 100-250 C vikaantumisaika, ylin käyttölämpötila Sekakitka-alueella toimivat voiteluaineet arvioidaan niiden kitka- ja kulumiskestokyvyn perusteella, kun kuormitus tai lämpötila on korkea. Voitelukalvo muodostuu vierintäkosketuksessa lisäaineiden edellyttämässä lämpötilassa, kun korkean paineen alaisena lisäaineet reagoivat metallisen ulkopinnan kanssa. Näiden voiteluaineiden testaukseen käytetään FAG:n FE8-testauslaitetta ja SKF:n R2F-menetelmää.
2.3.1. Käytetyn rasvan analysointi 19 Voitelurasvan kemiallisen koostumuksen analysointiin sekä rasvaan sekoittuneiden epäpuhtaushiukkasten määrittämiseksi on olemassa joukko standardoituja menetelmiä. Voitelurasvan kuntomääritys voi sisältää epäpuhtausanalyysien lisäksi mm. voitelurasvan jäykkyyden, hapettumisasteen, lisäainekoostumuksen ja öljypitoisuuden määritykset. Analyysien avulla on mahdollisuus määrittää voitelurasvan kunto ja saada tietoa myös voidellun kohteen kunnosta. (Kunnossapitoyhdistys 2003) Suorissa menetelmissä rasvan hiukkassisältö määritetään näytteestä tilassa missä se on ollut näytettä otettaessa. Näyte ei muutu analyysissä ja sille voidaan tehdä muita analyysejä. Suorat analyysit ovat tarkkuudeltaan heikompia kuin liuotinmenetelmät. Rasva-analyysien suoria menetelmiä on koottu taulukkoon 9. Taulukko 9. Suoria menetelmiä rasvassa olevien kiinteiden hiukkasten määrittämiseksi. Menetelmä Periaate Hyviä (+) ja huonoja (-) puolia Mikroskopia Näyte puristetaan kahden + konkreettinen lasilevyn väliin + yksinkertainen Naarmuttamiskoe Näyte laitetaan kahden + konkreettinen akryylilevyn väliin, joita + yksinkertainen kierretään toisiinsa nähden Röntgenfluoresenssi + tarkin suorista menetelmistä + voidaan arvioida voiteluaineessa tapahtuneita muutoksia - monimutkainen laitteisto - hiukkasten sisältämät alkuainepitoisuudet eivät erotu liuenneista alkuainepitoisuuksista Sähkömagneettinen menetelmä Metallihiukkasten tunnistaminen + nopea induktiivisen anturin synnyttämässä magneettikentässä Suodatuskoe Voitelurasva puristetaan teräsverkon läpi Voitelurasvojen laadunvalvonnan apuväline Liuotinmenetelmässä rasvanäyte liuotetaan ennen analyysiä. Rasvan rakenteesta johtuen on liuottimen valinta vaativaa. Tavanomaisia rasvoja varten käyttökelpoinen liuotinyhdistelmän löytyy kuitenkin helposti. Silikonirasvat ja polyurearasvat ovat heikosti liukenevia. Rasva-analyysien liuotinmenetelmiä on koottu taulukkoon 10. (Parikka et al. 2004) Taulukko 10. Liuotinmenetelmiä rasvassa olevien epäpuhtaus hiukkasten määrittämiseksi ja FTIR menetelmä. Menetelmä Mitä analysoi Hyviä (+) ja huonoja (-) puolia Hiukkaslaskenta Määrittää hiukkasmäärän ja - ei voi ottaa kantaa hiukkasten kokojakauman laatuun - laskentaa haittaa saentimen liukenemattomat jäänteet
20 Ferrografia Kuvaa näytteessä olevia Useita menetelmiä hiukkastyyppejä, näytteen puhtautta ja hiukkasten kokojakaumaa Mikrosuodatus Määritetään suodattimeen jääneiden hiukkasten paino Karl Fischer -titraus Veden sekoittumisen määrittäminen määrällisesti ICP-analyysi Kuluma- ja lisäainemetallipitoisuudet FTIR -analyysi Öljyn vanheneminen. Öljyn lisäaineiden analysoiminen. Hapettumisasteen määrittäminen. Suuren vesimäärän sekoittuminen. Pyritään vertaamaan käytettyä voitelurasvaa käyttämättömään näytteeseen - vaikeutena rasvarakenteen liuottaminen pienijakoiseksi - hiukkasten painoon sisältyy osa saenninta, joka aiheuttaa huomattavaa mittausepävarmuutta + sopii pienten vesipitoisuuksien analysointiin - ei sovi kaikille rasva- ja perusöljytyypeille - hiukkasten ja rasvan sisältämien alkuainepitoisuuksien erottaminen toisistaan hankalaa + tarvitaan pieni ainemäärä. Metallimäärityksillä voidaan todeta ja seurata sekä öljyyn käytön aikana kertyviä kulumismetalleja ja epäpuhtauksia että pesevien lisäaineiden ja kulumisenestoaineiden tyypillisiä metalleja. Laitteiden osien kulumista voidaan havaita ja seurata määrittämällä öljyn metallipitoisuuksia. Kulumismetalleja ovat rauta, kupari, kromi, alumiini, lyijy, vanadiini ja nikkeli. Öljyn lisäainekoostumusta voidaan selvittää määrittämällä metallipohjaisten lisäaineiden metalleja. Näitä ovat sinkki, fosfori, kalsium, magnesium ja barium. Muutokset näiden metallien pitoisuuksissa käytetyssä öljyssä antaa lisäksi informaatiota lisäaineiden toimivuudesta. Muutoksien tutkimiseen käytetään myös voiteluaineen ominaisuuksien testaamiseen käytettyjä menetelmiä. Voitelurasvan jäykkyyden muutos voidaan todeta aiemmin esitetyllä tunkeumakokeella. Perusöljyn ja saentimen välisen suhteen muuttuminen voidaan määrittää öljynerotuskokeella. (Parikka et al. 2004) 3. RASVAKESKUSVOITELU Keskusvoitelujärjestelmä korvaa laakereiden manuaalivoitelun. Manuaalivoitelussa rasva korvataan laakerissa määräajoin suurella määrällä uutta rasvaa, jotta rasvamäärä riittää voiteluun koko ajan. Voiteluvälin pidentyminen johtaa voitelurasvan puutteeseen. Kestovoitelussa voitelu on riittävä rasvan eliniän ajan. Manuaalivoitelua, kestovoitelua (ForLife-voitelu) ja jatkuvaa voitelua kuten keskusvoitelu vertaillaan kuvassa 7. (Kunnossapitoyhdistys 2003)