Tribotechnické listy

 

 

Výber skúšok na hodnotenie mazív

Mazacie prostriedky a mazivá predstavujú v tribotechnickej praxi široký sortiment  a na ich hodnotenie, analýzu sa používa veľký výber normovaných skúšok, ktoré poskytujú významné informácie  o ich úžitkových vlastnostiach a často aj doplňujúce informácie na hodnotenie stavu častí strojov a mechanizmov. Hodnotené sú ich chemické, fyzikálne, mazacie, resp. výkonové vlastnosti. Z hľadiska určitej hierarchie možno povedať, že uvedené skúšky používajú výrobcovia prísad pri formulácii nových druhov mazív, výrobcovia strojov a zariadení pri výrobe nových výrobkov a najmä koneční užívatelia. Zvýšenú pozornosť treba venovať výberu skúšok na hodnotenie mazív v praxi, čo významne prispieva k zhodnocovaniu mazív a ochrane životného prostredia.  Analýzy použitých mazacích olejov a mazív sa podstatne odlišujú od hodnotenia čerstvých mazacích olejov. Cieľom analýzy použitých mazacích olejov je hodnotenie podľa podmienok, ktoré sú v prevádzke a aj podľa podmienok konštrukcie mazacieho systému stroja a samotného spôsobu mazania jednotlivých trecích uzlov. V tejto súvislosti treba uviesť, že ide najmä o uplatňovanie metód tribotechnickej diagnostiky v praxi.

 

Dôvody a postupy na hodnotenie mazív
Zabezpečiť plynulú a spoľahlivú prevádzku strojov a zariadení je hlavným dôvodom na vykonávanie analýzy mazív. Poznáme tri kategórie, analýzy mazacích olejov:
1.    Analýza kvapalných vlastnosti mazacieho oleja
Ide o analýzu oleja, ktorou sú hodnotené chemické, fyzikálne vlastnosti a vlastnosti použitých prísad.
2.    Analýza znečistenia mazacieho oleja
Nečistoty sú cudzie látky v mazacom oleji, ktoré vstupujú do mazacieho systému stroja z okolitého prostredia alebo sú vytvárané v samotnom oleji, ako produkty starnutia oleja.
3.     Analýza opotrebovania častí strojov, trecích uzlov
Časti strojov sa opotrebovávajú a tým sa vytvárajú nečistoty, kovové triesky a iné nežiadúce látky, ktoré znehodnocujú mazací olej a sú príčinou poškodenia častí strojov.


V nasledovnej tabuľke č.1 sú uvedené niektoré odporúčané skúšky a ich použitie vzhľadom na uvedené tri kategórie a  postupy, so zameraním na ich prínos z analýzy mazacích olejov.

 


Prehľad  niektorých skúšok používaných k hodnoteniu mazív
V nasledovnom prehľade uvedieme niektoré skúšky, ktoré sa používajú najčastejšie na hodnotenie mazív a to najmä na hodnotenie, analýzu mazacích olejov v praxi.


Počet častíc
Metóda na zisťovanie počtu častíc nám udáva množstvo častíc v špecifickom rozsahu ich  veľkosti v objeme kvapaliny (oleja), obyčajne v 1ml alebo 100 ml. Koncentrácia častíc a ich údaje o distribúcii môžu byť vyjadrené podľa normy ISO 4406. Ide o kódy (triedy) čistoty, ktoré môžu byť vyjadrené aj podľa menej používaného kodifikačného systému a to normy NAS 1638 a SAE 749. Častice môžu byť počítané manuálne pod optickým mikroskopom, alebo automaticky používajúc na to optické počítače častíc. Treba upozorniť na možné chyby pri hodnotení počtu častíc z dôvodu, napr. určitých chýb pri vzorkovaní použitých olejov, prístrojové chyby (kalibrácia), pri skúšobnom postupe (voda, vzduch), poškodenie (zanesenie) filtrov (nárast častíc) a iné.

Obsah vody
Voda, vlhkosť v oleji a mazacích systémoch strojov nie je žiadúca. Jej prítomnosť v oleji je veľmi negatívna, zhoršuje jeho vlastnosti a vedie často k vytváraniu vodných emulzií. Prítomnosť vody v oleji môže byť vo viazanej alebo voľnej forme. Malé množstvá vody sa môžu rozpustiť v oleji bez zakalenia.  Každá rozpustnosť vody v oleji závisí od typu oleja, prísad a množstva prítomných produktov starnutia, nečistôt a teplote. V prítomnosti vody nastáva hydrolýza , t.j. rozklad solí (ZDDP) na kyselinu a zásadu. V prítomnosti kovov a vody za vyšších teplôt môže prebiehať katalyzovaná oxidácia. Obsah vody sa stanovuje podľa STN 65 6062. Obsah vody možno stanoviť aj podľa FTIR (infračervenej spektrometrie). Platí všeobecné odporúčanie, že skúška podľa Karl Fischera, ktorá je uvedená v norme STN 65 0330, resp. DIN 51 777 na zistenie obsahu vody sa uskutočňuje až po skúške, napr. tzv. prskacej skúške, alebo po skúške STN 65 6062 a FTIR.  Obsah vody podľa Fischera sa udáva v mg/kg alebo v ppm (parts per million, 1 ppm = 0,0001 %). Ide o celkový obsah vody (voľná a viazaná) vo vzorke oleja. Presnosť skúšky je ovplyvňovaná prítomnosťou prísad obsahujúcich síru, ktoré sa vyskytujú napr. v AW prísadách, prísadách proti hrdzi a EP prísadách. Treba ešte pripomenúť, že  voda je príčinou vytvárania hrdze na železných a oceľových povrchoch, urýchľuje koróziu, odčerpáva a poškodzuje prísady, podporuje oxidáciu základového oleja a znižuje účinnosť prísad.

Viskozita
Pri prúdení kvapalín (olejov) vzniká ako dôsledok pôsobenia síl medzi molekulami vnútorné trenie. Prúdenie s vnútorným trením bez tvorenia vírov nazývame laminárnym prúdením. Viskozita je určitou mierou vnútorného trenia, ktorá je dôsledkom pôsobenia síl medzi molekulami v kvapaline. Ak je vnútorné trenie veľké, hovoríme o viskóznej kvapaline. Viskozita sa uvádza ako dynamická a kinematická. Kinematická je mierou odolnosti kvapaliny tiecť pod vplyvom gravitačných síl. Je stanovená na základe merania času (v sekundách), kde určitý objem kvapaliny (oleja) preteká stanovenú vzdialenosť pod vplyvom gravitačných síl cez kapiláru kalibrovaného viskozimetra pri stanovenom tlaku a teplote. Pre kinematickú viskozitu platí jednotka podľa ISO v m2.s-1. Menšia jednotka, ktorá sa častejšie používa je mm2.s-1. Stretávame sa aj so staršou jednotkou (cSt). Kinematická viskozita je základným ukazovateľom oleja, ktorý potvrdzuje typ použitého oleja podľa viskozitných tried stanovených platnou normou, napr. pre priemyselné oleje STN 65 6601. Pre hodnotenie priemyselných olejov sa najčastejšie uvádza viskozita pri 40 °C a pre motorové oleje pri 100 °C. Nárast viskozity môže byť výsledkom kontaminácie olejom s vyššou viskozitou, vyparovaním ľahších podielov z mazacieho oleja, kontamináciou oleja vodou, vytváraním emulzie a iné. Pokles viskozity sa najčastejšie prejavuje prítomnosťou paliva v motorovom oleji, resp. aj znižovaním účinku polymérnych prísad (zlepšovače V.I.).
Na stanovenie kinematickej viskozity platí STN EN ISO 3104 (65 6216).   

Hustota častíc
Nárast hustoty oleja z dôvodu železných nečistôt väčších ako 5 µ je obyčajne podmienená vytvorením abnormálnych podmienok v trecích uzloch, čo vedie k zvýšenému opotrebovaniu a tým aj možným poruchám. Je niekoľko metód na stanovenie nečistôt zo železa, napr. ferrografia. Možnosť výskytu prípadov opotrebovania je všeobecne úmerná nárastu tvorby podielu veľkých častíc. Nárast železných častíc môže byť príčinou množstva faktorov, ktoré sa vyskytujú v prevádzke strojov a zariadení.


Uvedieme niektoré:
·    Zmena zaťaženia stroja z dôvodu nárastu výroby (vyššie otáčky, väčší výkon, zaťaženie a iné)
·    Excentrické zaťaženie z dôvodu porušenia uloženia, napr. ložiská hriadeľov (súososť a vibrácie)
·    Nedostatočné mazanie z dôvodu nesprávneho maziva, nízkej hladiny oleja v nádrži, úbytku prísad, alebo degradácia maziva
·    Kontaminácia oleja nečistotami,  ako je voda, vzduch, chladivo, palivá, rozpúšťadlá a iné.


V takýchto prípadoch treba stanoviť diagnostický postup na zistenie miesta (trecieho uzla) zvýšeného opotrebovania. Teda lokalizáciu zdroja stanovením napr. sekundárnych odberným miest vzoriek oleja a iné. Zabezpečiť analýzu čiastočiek z opotrebovania pomocou ferrografie a základnej spektrometrie. Použiť analýzu oleja, vibračnú analýzu a získať ďalšie informácie pre riešenie daného problému.

Ferrografia
Ferrografia je tribodiagnostická metóda, ktorá sa používa najmä v prípadoch, keď bolo zistené výrazné znečistenie mazacieho oleja. Ide o výnimočnú analytickú skúšku, ktorá využíva sedimentáciu častíc na špeciálnej podložke pri prietoku vzorky oleja v silnom nehomogénnom magnetickom poli. Vyhodnocovanie sa vykonáva pozorovaním vytvorenej stopy pod mikroskopom. Zachytené častice sa v magnetickom poli rozdelia podľa veľkosti.

 


Táto analýza časticovej morfológie umožňuje určiť režim opotrebovania mazaného stroja a to na základe  určenia  tvaru častice, farby, veľkosti, povrchového vzhľadu, okrajovej hrany, šikmosti, elementárneho obsahu a tiež relatívnu koncentráciu častíc. V niektorých prípadoch možno určiť aj miesto vzniku oterových častíc.
V súčasnosti sa v praxi používa metóda priameho čítania, alebo analytická ferrografia. Analytická ferrografia vypovedá o skutočnom technickom stave mazacej sústavy a mazaní častí strojov, ako aj o spôsobe opotrebovania jednotlivých trecích dvojíc. Umožňuje hodnotiť priebeh a intenzitu opotrebovania súčiastok, ktoré sú analyzovaným olejom mazané, a to na základe izolácie častíc vytvorených kovovým oterom, vláknami z filtračných materiálov, kontamináciou z vonkajšieho prostredia a pod.  S výhodou sa používa najmä pri abnormálnom opotrebovaní v kombinácii s ďalšími skúškami pre analýzu použitých olejov, ako sú  skúšky na degradáciu oleja, znečistenie oleja, vibračná analýza a iné.

Číslo kyslosti
Číslo kyslosti (AN) udáva množstvo hydroxidu draselného KOH v mg, ktoré je pri skúške potrebné na neutralizáciu kyslo reagujúcich organických a anorganických zložiek maziva v 1 g vzorky. Nameraná hodnota čísla kyslosti použitého oleja signalizuje nárast kyslých produktov oxidácie. Táto skúška sa najviac používa pri hodnotení priemyselných olejov. Niektoré prísady, napr. AW prísady, prísady proti hrdzi sú príčinou vysokého stavu, obsahu čísla kyslosti v olejoch. Teda v priemyselných olejoch číslo kyslosti charakterizuje použité prísady a jeho pokles v prvej fáze používania svedčí o úbytku (spotrebe) prísad. V ďalšom priebehu môže v dôsledku tvorby oxidačných produktov číslo kyslosti narastať (hydraulické, turbínové a iné oleje). Pri čísle kyslosti väčšom ako 4,0 mg KOH/g môže byť olej vysoko korozívny, napadá ložiskové materiály a ďalšie kovové povrchy. To sa prejavuje najmä v prítomnosti vody a ďalších nečistôt v oleji. Prudký nárast čísla kyslosti môže byť hlavne z týchto dôvodov:
·    vysoká oxidácia oleja
·    úbytok niektorých prísad (AW, EP a prísady proti hrdzi)
·    nesprávny výber oleja, resp. zmiešanie olejov, napr. hydraulického oleja, prevodového oleja, ktoré majú vysoký obsah čísla kyslosti.

Z praxe je známe, že napr. nárast čísla kyslosti (hraničná hodnota) pre turbínové oleje je o 0,4 mg KOH/g v porovnaní s čerstvým olejom. Číslo kyslosti sa stanovuje kalorimetrický alebo potenciometrickou titráciou (tmavé oleje). V tejto súvislosti treba spomenúť aj číslo alkality BN, ktoré vyjadruje obsah zásadito reagujúcich zložiek, ktoré vznikajú vysokoteplotnou oxidáciou a starnutím motorových olejov, ako aj kyslých splodín, najmä pri spaľovaní paliva s vyšším obsahom síry v motorovej nafte. Hodnota BN, alkalická rezerva pre naftové motory v súčasnosti už stratila na význame z dôvodu nízkeho obsahu síry v palive. V prípade priemyselných olejov sa hodnota BN odporúča vyhodnocovať pri kontrole oleja pre čpavkové kompresory. Táto hodnota poskytuje informácie o prítomnosti zásaditých látok vznikajúcich pri oxidácii oleja. Zásadité oxidačné produkty vedú k zanášaniu kompresora a vytváraniu nežiadúcich usadenín vo valcoch, na ventiloch a regulačných prvkoch kompresora. Treba uviesť, že v prítomnosti vody a produktov starnutia oleja dochádza v mazacom systéme čpavkového kompresora k tvorbe rušivých emulzií, čo vedie často ku korózii.

FTIR, infračervená spektrometria
Infračervená (IČ) spektrometria je metóda, ktorá sa zaoberá interakciou elektromagnetického žiarenia (EMŽ) z infračervenej oblasti s molekulou alebo určitou časťou molekuly (so skupinou atómov). Všetky druhy žiarenia, ktoré sú schopné prenášať určitú energiu a šíria sa vo vákuu rýchlosťou svetla sú vlastne elektromagnetickým vlnením, ktoré možno charakterizovať vlnovou dĺžkou, frekvenciou alebo vlnočtom.
Infračervená spektrometria je spojená s Fourierovou transformáciou, FTIR (Fourier transform infrared). Nové spektrometre majú spracovanie údajov do podoby IČ spektra matematickým postupom, známe pod názvom Fourierova transformácia. Práve táto matematická operácia dala meno nielen týmto prístrojom ale aj metóde ako FTIR spektrometria.
Základné komponenty FTIR spektrometrov sú zdroje žiarenia, interferometer s rozdeľovačom lúčov, laser a detektor. Spektrometer je prepojený na počítač v ktorom pomocou Fourierovej transformácie vzniká grafický záznam merania, teda infračervené spektrum. Základom IČ spektrometrie je schopnosť molekúl absorbovať elektromagnetické žiarenie z infračervenej oblasti spektra. Pri prechode žiarenia látkou sa absorbuje iba tá časť žiarenia, ktorého energia je rovnaká, ako je energia vibrácií atómov molekuly. Zvyšná časť žiarenia látkou prechádza a dopadá na detektor, ktorý analyzuje chýbajúce zložky elektromagnetického žiarenia. Vzniká spektrum, čiže grafický záznam obsahujúci súbor absorpčných pásov. Na charakteristiku vibračného pohybu častíc sa používa v tomto prípade vlnočet (cm-1) pre jednotlivé spektrálne oblasti. Infračervená oblasť EMŽ sa formálne delí na tri časti a v tejto súvislosti sa využíva najmä stredná časť (MIR - middle infrared) pásmo v rozsahu 4 000 - 400 cm-1. Pri analýze použitého mazacieho oleja sa zaujímame o zmeny, ku ktorým došlo od výmeny oleja. Na tento účel potrebujeme aj spektrum nového (nepoužitého) oleja, ktoré sa zvyčajne nazýva referenčné olejové spektrum. Prvým krokom pri analýze je konvertovať vzorky použitého oleja a referenčného oleja, aby sa tak získalo rozdielové spektrum. Rozdielové spektrum reprezentuje zmeny ku ktorým došlo v oleji počas prevádzky. Treba pripomenúť, že olej zvolený ako referenčný je presne ten istý produkt, ako je vzorka použitého oleja.

Teplota vzplanutia

Teplota vzplanutia udáva najnižšiu teplotu, pri ktorej sa nad povrchom horľavej kvapaliny zohrievanej v skúšobnom zariadení za podmienok skúšky nahromadí toľko pár, že sú schopné vzplanúť po priblížení otvoreného plameňa. Teplotu vzplanutia stanovujeme v otvorenom kelímku (Cleveland Open Cup - COC), pre kvapalné ropné produkty s teplotou vzplanutia nad 79 °C podľa STN 65 6212, resp. ISO 2592, v zatvorenom kelímku (Penský - Martens - PM) pre rozsah od 10 do 370 °C, podľa STN 65 6064, resp. ISO 2719, najmä pre ropné látky, ktoré majú sklon pri podmienkach skúšky tvoriť prchavú vrstvu a v zatvorenom kelímku (Abel - Penský - AP) pre rozsah od 5 do 65 °C, podľa STN 65 6064, resp. DIN 51 755. Teplotu vzplanutia, resp. bod vzplanutia určujeme najmä pri motorových olejoch, kde nám znížená teplota vzplanutia naznačuje prítomnosť paliva v oleji. Teplota vzplanutia je dôležitý ukazovateľ aj pri kontrole teplonosných médií. Olej, teplonosné médium môže byť vysokou teplotou narušený (krakovanie), čo vedie k vzniku ľahkých olejových podielov a poklesu teploty vzplanutia média. Teplota vzplanutia by v tomto prípade nemala poklesnúť pod 100 °C, stanovená v zatvorenom kelímku (PM) podľa STN 65 6064.
Podľa teploty vzplanutia sú hodnotené ropné výrobky, zaraďované do tried horľavosti podľa STN 65 0201.  Ide o predpisy na výrobu, skladovanie a dopravu horľavých kvapalín.

 


Analýza prvkov
Analýza prvkov, prvková spektrometria kvantifikuje prítomnosť častíc (prvkov) rozpustených a niektorých nerozpustených anorganických látok v oleji. Ide o optické metódy, ktoré vyhodnocujú interakciu elektromagnetického žiarenia so vzorkou oleja. Interakcia sa vyhodnocuje na základe emisie (emisná spektrálna analýza) alebo absorpcie žiarenia (absorpčná spektrálna analýza). Podľa druhu interakcie sa optické metódy rozdeľujú na atómovú spektrometriu a na molekulovú spektrometriu.
Atómová emisná spektrometria (AES) sa zakladá na meraní a interpretácii emisných spektier voľných atómov vzorky oleja. Pre vznik emisného spektra treba vzorku vysokou teplotou budiaceho zdroja rozložiť až na voľné atómy a tie ex citovať. Budiacim zdrojom môže byť plameň, iskrový výboj alebo indukčne viazaná  plazma (ICP).  ICP spektrometria je emisná metóda, ktorá na stanovenie hodnôt využíva argónovú plazmu. Teplota plazmy je 8 000 K. Umožňuje stanovenie všetkých prvkov pri jednom stanovení. Nevýhodou sú väčšie prevádzkové náklady v porovnaní s AAS (atómová absorpčná spektrometria) a väčšie náklady na zakúpenie prístroja.
Atómová absorpčná spektrometria (AAS) je založená na meraní absorpcie monochromatického žiarenia voľnými atómami stanoveného prvku.
Atomizácia sa uskutočňuje pri vysokej teplote 2 000 až 3 000 K v plameni, elektrotermickej piecke.  Umožňuje stanovenie oterových kovov s veľmi dobrou citlivosťou. Je možno použiť priamu metódu s jednoduchou prípravou vzoriek. Vzorka sa priamo riedi rozpúšťadlom. Umožňuje stanoviť obsah vždy len jedného kovu. Pre každý kov je treba vykonať kalibráciu. Nevýhodou AAS  je, že umožňuje len stanovenie kovových častíc menších ako 5 µ. Rozpustené kovy a suspendované častice o veľkosti okolo 2 µ sú zaznamenané s veľkou presnosťou. Presnosť je podstatne zmenšená ak veľkosť častíc je väčšia ako 5 µ. Jednotlivé prvky, ako napr. železo, meď, kremík a iné, sú zaznamenané v jednotkách ppm (parts per million).

Nárast alebo pokles  koncentrácie môže signalizovať zmenu v tvorbe oterových kovov, nečistôt a prírastok alebo úbytok prísad. Uvedieme niekoľko poznámok, ktoré treba rešpektovať, ak pri analýze vzniknú určité neistoty čo sa týka jednotlivých prvkov a ich výskytu.  Ide  o tieto úvahy:
·    Nárast koncentrácie niektorých prvkov, ako železa, medi, hliníka a iné naznačuje, že môžeme očakávať zvýšené opotrebovanie. V takomto prípade sa odporúča vykonať ďalšie analýzy, doplňujúce skúšky, ktoré nám rozlíšia ich množstvo, pôvod a celkovú príčinu.
·    Nárast koncentrácie kremíka, sodíka, bóru, vápnika a horčíka môže signalizovať nárast celkového znečistenia. Prudký nárast kremíka a hliníka všeobecne naznačuje prítomnosť prachu (prašné prostredie). Treba upozorniť, že kremík je základný prvok nachádzajúci sa v prísadách proti peneniu (silikóny) a to môže byť príčinou tohto stavu. Nárast úrovne sodíka a bóru môže signalizovať niekedy prítomnosť chladiva na báze glykolu. Vápnik a horčík sa často vyskytujú vtedy, keď je prítomná tvrdá voda z dôvodu čistenia (sprcha), alebo úniku z chladiaceho systému, resp. sú to prísady, ktoré sa vyskytujú v motorových olejoch.
·    Mnoho prvkov je používaných ako viacfunkčné prísady, napr. fosfor a zinok ako AW prísady, síra, fosfor a molybdén sú známe ako EP prísady, vápnik a horčík sú často komponenty, ako zlepšovače alkality v motorových olejoch.

Analýza a činnosť údržby
V súčasnosti možno pozorovať nové prístupy k údržbe strojov a zariadení a to prechod od poruchovej k reaktívnej údržbe, z preventívnej na prediktívnu a proaktívnu údržbu. Pri prediktívnej údržbe je pozornosť venovaná monitorovaniu príznakov vznikajúcich porúch strojov pomocou technickej diagnostiky počas prevádzky (vibračná, tribo a termodiagnostika, defektoskópia a ďalšie). Táto metóda umožňuje odstrániť poruchu ešte pred haváriou.
Proaktívna údržba odstraňuje príčiny poškodenia strojov pomocou diagnostických prístrojov, napr. podľa zisťovania základných kvalitatívnych charakteristík mazív priamo pri stroji, ako sú nečistoty, voda, vzduch, kinematická viskozita, kyslosť, teplota, obsah kovov a ďalšie kvalitatívne ukazovatele. Proaktívne zabezpečenie spoľahlivosti znamená, že sa údaje získané diagnostickými metódami využívajú jednak k stanoveniu vhodnej doby pre výmenu a súčasne sa hľadá príčina daného problému.  

Záver
Správny výber skúšok na hodnotenie mazív je veľmi dôležitý hlavne na zistenie mechanického stavu strojov a zariadení a zabezpečenie ich spoľahlivej prevádzky. Na tento účel tribotechnická diagnostika ponúka potrebné informácie. Upozorňujeme, že výber jednotlivých skúšok je veľmi dôležitý a okrem získania požadovaných informácií, správny výber, počet skúšok  často ovplyvňuje aj finančné náklady.

 


Ing.  Jozef Stopka, TRIBEX, s.r.o.

 

 

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
4 + 5 =
Odoslanie formulára

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd