Mazací olej a jeho vplyv na prevádzku strojov
Súčasné mazacie oleje sú formulované na základe nových vedeckých poznatkov z oblasti rafinačných postupov a formulácií prísad a napriek tomu sa stretávame s tým, že sa vytvárajú nežiaduce nečistoty, kaly a laky. Ide o určitý fenomén, ktorý sa pokúsime definovať a hľadať dôvod, príčinu tohto stavu.
Mazacie prostriedky môžu v značnej miere ovplyvniť prevádzku strojov a zariadení, ich spoľahlivosť, ktorá často závisí od správneho výberu mazív a na starostlivosti o mazivá počas ich prevádzky. Uvedieme niektoré nové poznatky z oblasti aplikácie mazacích prostriedkov, mazív v praxi. Ako príklad uvedieme poškodenia ozubených prevodov, prevodoviek. Z literárnych údajov, ktoré potvrdzuje aj prax je známe, že až 49 % poškodenia prevodoviek je z dôvodu poškodenia ložísk, 41 % z dôvodu poškodenia ozubenia a 10 % sa uvádzajú, ako iné dôvody. Príčiny treba hľadať v tom, že ide o vysoké tlakové zaťaženie (Hertzov tlak), čo vedie k tvorbe malých úlomkov, častíc, ktoré sú príčinou poškodenia ložísk. Treba spomenúť aj nový fenomén v opotrebovaní ozubenia, mikropitting, ktorý vzniká na povrchu zuba a spôsobuje zmenu na profile zuba a vedie k vyššej hlučnosti ozubenia a spôsobuje ďalšie únavové opotrebovanie (makropitting, vydrolovanie a iné). Mikropitting sa môže objaviť, vyskytnúť aj v ložiskách. Vplyv kovových častíc na degradáciu oleja závisí od druhu častíc (Fe, Cu a iné). Vieme, že tieto častice môžu vyvolať katalytickú oxidáciu. Požiadavka je tu na pravidelnú kontrolu častíc. Ide o proces, ktorý vyplýva z monitorovania trecích častí, uzlov stroja a z poznatku, že samotný stroj vyrába vlastné častice a preto je tu požiadavka na pravidelné ošetrovanie mazacieho systému, aby sa udržala určitá rovnováha prítomných častíc v mazacom oleji. V ďalšej časti budeme venovať pozornosť mazaciemu oleju a jeho schopnosti vytvárať a zadržiavať nečistoty.
Mazací olej a jeho schopnosť vytvárať a zadržiavať nečistoty
Mazacie oleje majú všeobecne určitú schopnosť, vnútornú kapacitu na zadržiavanie nečistôt (jemných častíc) v samotnom roztoku. V technickej literatúre tento stav sa označuje ako IHC- Impurity - Holding Capacity (kapacita zadržiavaných nečistôt). Nečistoty sú z veľkej časti degradačné produkty z oleja, ale môžu tiež zahrňovať aj iné olejové suspenzie a jemné kovové častice. Túto vnútornú schopnosť, kapacitu si môžeme predstaviť ako zásobník, alebo pohár s olejom. Ak je pohár naplnený len do polovice má ešte stále určitú rezervu. Môže nastať, vzniknúť taký stav, že pohár sa preplní, čo sa často stane vznikom nerozpustných suspenzií v oleji a lakov (tento stav môžeme nazvať aj ako spúšťací bod). Z praxe poznáme určitú analógiu s obsahom vody v oleji. Ak sa prekročí krivka nasýtenia vody v oleji, tak sa dostaneme z oblasti viazanej vody v oleji do oblasti voľnej vody, čo je nevýhoda. Tento stav vznikne najmä pri nižšej teplote oleja, tak ako je to vidieť na obrázku, ktorý predstavuje závislosť koncentrácie vody (ppm) od teploty oleja (°C). Táto ukážka platí pre krivku nasýtenia vody v oleji pre turbínové oleje. Povedané inými slovami náš pohár v tomto prípade pretiekol. Tento stav mohol nastať kvôli nízkemu IHC a vysokou koncentráciou nečistôt, alebo oboma dôvodmi. Nečistoty, ktoré sa vyskytujú môžu byť ako rozpustné (oxidy alebo nerozpustný uhlík) alebo nerozpustné, občas označované ako lakový potenciál.
V našom prípade je vhodné porovnávať oxidačnú stabilitu oleja s IHC, t.j. s kapacitou zadržiavaných nečistôt. Platí, že ak narastá oxidačná stabilita oleja, tak často poklesne IHC. Naopak ak narastá IHC poklesne oxidačná stabilita, čim sa vytvára ďalšie riziko, ktoré môže mať vplyv na deemulgačnú schopnosť oleja a tiež odlúčivosť vzduchu. Napriek týmto možným nedostatkom má IHC viac pozitívnych znakov, ako napr. to, že je tu určitá korelácia medzi elektrostatickým výbojom (ESD), ktorý je často príčinou vzniku lakových usadenín v oleji. Nové turbínové oleje sú formulované tak, že nemajú len nízky IHC, ale majú tiež ďalšie potrebné vlastnosti (vysušenie a čistotu), ktoré priamo zabraňujú vzniku statických výbojov. Tieto turbínové oleje majú vyššiu oxidačnú stabilitu. Pri hodnotení podľa ASTM D 2272, skúška RPVOT (Oxidačná skúška v rotačnej tlakovej nádobe) dosahujú turbínové oleje formulované zo základových olejov II. skupiny podľa API hodnoty v rozsahu od 400 do 800 minút a oleje III. skupiny hodnoty 800 až 3 000 minút, čo predstavuje predĺženú životnosť olejov v prevádzke. Životnosť týchto turbínových olejov podľa skúsenosti s praxe je až 100 000 a viac prevádzkových hodín, čo je veľká výhoda.
Ako už bolo uvedené všetky nečistoty predstavujú dva stavy, a to tie, ktoré sú rozpustné a tie, ktoré sú nerozpustné v oleji. Veľmi dobré porovnanie je stav, prítomnosť vody v oleji. Viazaná voda korešponduje s rozpustnými nečistotami a emulgovaná voda s nerozpustnými nečistotami v oleji. Rozpustné nečistoty sú tie, ktoré zaberajú v oleji nepatrný priestor čo predstavuje IHC, ako malý zásobník. Zahrňujú degradačné látky z oleja, hlavne z jeho oxidácie, mikrodieselizácie a elektrostatických výbojov, ale sú to aj niektoré prísady. Treba uviesť, že prísady nie sú považované za nečistoty.
Vzhľadom na uvedené je tu otázka, ako možno merať množstvo IHC v mazacích olejoch alebo základových olejoch. Podľa dostupných literárnych údajov IHC je merateľná gravimetrický a to v hodnotách ppm (parts per million), miligramoch na kg (mg/kg) alebo miligramoch na liter (mg/L) používajúc vhodne referenčné materiály ako náhradné nečistoty (titračné metódy). Vzhľadom na to IHC sa môže uvádzať ako viskozita pri štandardných teplotách a to 20 °C a 40 °C. Uvažuje sa aj o indexe IHC (tak, ako V.I.), ktorý by predstavoval relatívnu zmenu v IHC vzhľadom na zmenu teploty. V nasledovnej tabuľke uvedieme, ako vlastnosti základových olejov ovplyvňujú IHC.
Vysoký IHC Nízky IHC
Vysoká teplota oleja Nízka teplota oleja
Základový olej skupiny I. Základové oleje skupín II., II. a IV.
Vysoké percento polarity Nízke percento polarity
Estery miešané v základových olejoch Bez esterov
Naftenické základové oleje Parafinické základové oleje
Vzhľadom na výskyt nečistôt vo forme kalov a lakov v mazacích olejoch je tu nová požiadavka na pravidelne skúšky pomocou hodnotenia na IHC. Mazivá, ktoré sú vystavené elektrostatickým výbojom, mikro dieselizácii a iným nežiaducim prevádzkovým vplyvom je potrebné pravidelne kontrolovať, testovať na IHC. Význam to má najmä napr. pri aplikácii turbínových olejov v prevádzke. Napriek tomu treba uviesť, že ide o nové poznatky z oblasti hodnotenia mazacích olejov podľa indexu IHC a poskytnuté informácie majú upozorniť len na tieto nové trendy.
V ostatnom čase možno pozorovať nárast lakov a kalov, ktoré sú príčinou určitých prevádzkových problémov, ktoré majú vplyv na funkčnosť a spoľahlivosť strojových častí a tiež životnosť mazacieho oleja. Uvedieme možné spôsoby a postupy degradácie oleja:
Oxidácia - chemický proces pri ktorom kyslík zmení uhľovodíkovú molekulu na iné produkty, ako napr. karboxylové kyseliny. Rýchlosť oxidácie sa zvýši dvojnásobne pre každých 10 °C nárastu teploty. Prítomne katalyzátory urýchľujú oxidáciu, ako napr. voda, vzduch a niektoré kovy (Fe a Cu).
Tepelná degradácia - proces vzniká bez prítomnosti kyslíka pri teplote okolo 300 °C. Uhľovodíkové štruktúry sú narušené (krakované), pričom vznikajú nerozpustné karbónové produkty, laky a kaly. Primárnou príčinou tepelnej degradácie sú:
-Mikro dieselizácia (adiabatická kompresia), ktorá vzniká vtedy , keď vzduchové bublinky prechádzajú z nízko tlakovej oblasti (olejová nádrž) do vysoko tlakovej oblasti (čerpadlo), bublinky vtedy skolabujú pri teplote nad 1000 °C.
-Elektrostatický výboj - ESD (Elektrostatic Spark Discharge) je výsledkom akumulácie vnútro molekulárneho trenia vznikajúceho vtedy ak olej prúdi cez veľmi úzke tolerancie pri vysokom prietoku. ESD vzniká tiež pri plnom prietoku cez mikro mechanické filtre, hraničnom mazaní a samotný výboj môže vyvolať nárast teploty až nad 10 000 °C.
-Horúce miesta - veľmi horúce miesta v mazacích systémoch strojov môžu byť príčinou degradácie oleja. Pri týchto vysokých teplotách môžu prebiehať chemické reakcie ako je polymerizácia (spájanie rovnakých molekúl) a pyrolýza (rozklad molekúl).
Na kontrolu lakov bola vyvinutá nová metóda QSA (Quantitative Spectrophotometric Analysis). Ide o metódu na meranie množstva potenciálu tvorby lakov v mazacích olejoch. Kvantitatívna analýza sa uskutočňuje pomocou kalibračnej krivky. Spektrofotometrická analýza je štúdium o interakcii elektromagnetického žiarenia s chemickými zlúčeninami. QSA je prediktívna (štatistická) skúška vhodná pre užívateľov mazacích olejov (olejov v prevádzke) na stanovenie možnej výstrahy pre tvorbu lakových nečistôt. QSA nie je pre stanovenie už vytvorených lakových formácií. Výsledky sú uvádzané v rozsahu od 1 do 100 podľa triedy znečistenia, napr. VPR (VPR - Varnisch Potencial Rating). Na odstránenie lakov z funkčných častí strojov, ošetrovanie mazacích olejov sa používajú nové postupy na základe elektrostatického čistenia, alebo adsorpčnej filtrácie.
Na zabezpečenie spoľahlivej prevádzky strojov sú kladené požiadavky na čistotu prevádzkových kvapalín, t.j. mazacích prostriedkov, mazív. V praxi platia zákonné normy, ako je STN a tiež všeobecné kritéria, ktoré sú zárukou pre ich bezporuchovú prevádzku. Najznámejšia je medzinárodná norma ISO 4406:99, ktorá klasifikuje triedy čistoty od triedy 0 až do triedy 28, teda celkom 29 tried čistoty. Samotný kód čistoty sa uvádza ako R 4 / R 6 / R 14 , čo znamená, že v 1 ml vzorky oleja sa hodnotí počet nečistôt väčších ako 4 µ, 6 µ a 14 µ, čo predstavuje napr. kód čistoty 16/14/12. Vzhľadom na všeobecnú orientáciu a prehľad o požiadavkách na triedy čistoty mazacích olejov pre jednotlivé stroje a strojové častí uvedieme preto kódy čistoty v nasledovnom prehľade.
Odporúčane triedy čistoty podľa normy ISO 4406:99 pre jednotlivé stroje a strojové častí
Stroje a častí strojov Kód čistoty
Valivé ložiská 16 / 14 / 12
Guľkové ložiská 14 / 13 / 11
Priemyselné prevodovky 17 / 15 / 12
Mobilné prevodovky 17 / 16 / 13
Naftové motory 17 / 16 / 13
Parné turbíny 18 / 15 / 12
Papierenské stroje 19 / 16 / 13
Servoventily 13 / 12 / 10
Proporcionálne ventily 14 / 13 / 11
Piestové čerpadlá 16 / 15 / 12
Objemové čerpadlá 15 / 14 / 12
Lamelové čerpadlá 16 / 15 / 12
Zubové čerpadlá 16 / 15 / 12
Pre prax je dôležité, aby sa vykonávala pravidelná kontrola a tak bol zabezpečený prehľad o obsahu, množstve jednotlivých častíc pomocou dostupných klasifikácií a odporúčaných postupov a metód. Z poznatkov prevádzky strojov vyplýva, že samotný stroj, trecí uzol vytvára vlastné častice (opotrebovanie trecích častí strojov) a preto je tu požiadavka na pravidelnú kontrolu čistoty mazacích olejov (tried čistoty) pre jednotlivé strojové častí, trecie uzly. Ide tu o požiadavku, aby sa udržala určitá rovnováha prítomných častíc v mazacom oleji k čomu majú prispieť aj uvedené údaje (kódy čistoty). Vzhľadom na doterajšie skúsenosti možno konštatovať, že mazací olej zabezpečuje správne mazanie strojov a zariadení a zároveň poskytuje informácie o tom v akom stave je mazací systém, konkrétny trecí uzol, čo je výhoda.
Záver
Aj keď súčasné mazacie oleje, mazivá sú formulované na základe nových poznatkov pri výbere základových olejov, nových druhov prísad a technologických postupov, napriek tomu sa v praxi stále stretávame s fenoménom tvorby nečistôt, ktorý nám často prináša až neriešiteľné problémy. Cieľom príspevku bolo poukázať na tieto problémy a ich bližšie definovať. Má to byť výzva na diskusiu a výmenu skúsenosti najmä z oblasti ošetrovania, zhodnocovania mazacích olejov v praxi.
Ing. Jozef Stopka
