Ocena stanu układu tribologicznego

Stosowanie oleju smarowego w dobrym stanie jest sprawą fundamentalną, zwłaszcza w przypadku maszyn wirujących lub takich, w których obciążenie jest przenoszone przez środek smarny.

Dzięki odpowiednim właściwościom fizycznym i chemicznym, optymalnej zawartości dodatków, minimalnemu zanieczyszczeniu i normalnemu poziomowi zużycia, olej pozwala na osiągnięcie przez maszynę wyższej wydajności operacyjnej i redukcję bezpośrednich kosztów jej użytkowania.

W optymalnym stanie środek smarowy spełnia następujące funkcje:

1. Tworzy film olejowy (warstwę oleju), który minimalizuje tarcie między współpracującymi metalowymi częściami maszyny, zapobiegając nadmiernemu ich zużyciu.
2. Chłodzi różne części maszyny. Głównym zadaniem środka smarowego jest przenoszenie ciepła wytwarzanego w niektórych obszarach roboczych maszyny do obszarów chłodniejszych (rozpraszanie ciepła), minimalizując tym samym degradację termiczną układu (eliminowanie długotrwałego wpływu temperatury zarówno na komponenty maszyny, jak i na sam środek smarny).
3. Utrzymuje „strefy czystości” w maszynie usuwając zanieczyszczenia powstające w jej obszarach roboczych.

Poza tymi głównymi funkcjami podanymi wyżej, w zależności od rodzaju maszyny lub zastosowania, środki smarowe mogą i powinny pełnić inne funkcje, takie jak:

1. Deaeracja (odpowietrzanie) – zapobieganie i ograniczanie w miarę możliwości obecności powietrza
   w obszarze roboczym.
2. Deemulgowalność – oddzielanie wody od oleju w celu późniejszego oczyszczenia oleju.
3. Ochrona maszyny przed korozją.

Środki smarowe to złożone substancje wytworzone na bazie wysokiej jakości węglowodorów lub olejów syntetycznych, do których dodaje się liczne materiały uzupełniające, tzw. dodatki. Dodatki nadają smarom unikalne cechy eksploatacyjne oraz zabezpieczają maszyny przez zużyciem.

Generalnie cztery typy  środków smarowych jest używanych w większości aplikacji przemysłowych i każdy
z tych typów zawiera inny poziom i rodzaj dodatków:

• Oleje silnikowe – typowo zawierają dodatki antyzużyciowe (AW- Anti Wear) zawierające cynk i fosfor na poziomie ok. 1000 ppm (+/- 200 ppm). Detergenty są również obecne w tego typu olejach i zwierają bar, magnez oraz wapń (średni poziom 1000 ppm).

• Oleje wysokociśnieniowe (na wysokie obciążenia) – typowo stosowane w przekładniach mechanicznych. Zawierają wysoką ilość fosforu.

• Oleje antyzużyciowe – typowo stosowane w układach smarowania  łożysk, układach hydraulicznych  oraz w niektórych przekładniach. Te oleje zawierają dwa dodatki: cynk i fosfor w ilości około 200 – 600 ppm. Również można spotkać w nich pewną zawartość detergentów (magnez, wapń).

• Oleje antykorozyjne i antyutleniające – są najłatwiejsze do identyfikacji. Najczęściej stosowane
  w turbinach, kompresorach, układach smarowania  łożysk oraz w układach hydraulicznych. Praktycznie nie zawierają dodatków.

System tribologiczny to maszyna i środek smarny traktowane jako całość. Aby system ten zachowywał się zgodnie z oczekiwaniami, należy kontrolować jego stan techniczny dokonując oceny trzech głównych cech użytkowych:

• stopnia degradacji środka smarnego
• poziomu zanieczyszczeń obecnych w układzie tribologicznym
• poziomu zużycia maszyny ograniczających jej funkcje użytkowe

Degradacja środka smarnego

Degradacja środków smarowych wpływa na sprawność eksploatacyjną wszystkich typów maszyn przemysłowych, ale co to znaczy, że środek smarowy ulega procesowi degradacji i jak ten proces monitorować?

Jest wiele cech i parametrów środka smarowego zmiennych w czasie, zależnych od temperatury i charakteru pracy maszyny oraz warunków środowiskowych, które mają bezpośredni lub pośredni wpływ na stopień jego degradacji. Należą do nich m.in. rodzaj/typ środka smarowego, lepkość, podatność na utlenianie, zawartość dodatków, liczba kwasowa.

Rodzaj środka smarowego (olej mineralny, olej syntetyczny) wpływa na charakterystykę jego degradacji – mineralne środki smarowe wykazują liniową zależność degradacji w czasie, podczas gdy środki syntetyczne zachowują się bardziej stabilnie.

Zwykły proces degradacji środka smarowego zaczyna się od zjawisk związanych z otoczeniem i pracą, jaką ten środek wykonuje. Niektóre z najbardziej reprezentatywnych przyczyn to:

• Utlenianie – najpowszechniejsze zjawisko związane z obecnością tlenu
  w powietrzu.
• Zaazotowanie.
• Zasiarczenie.

Tlen obecny w powietrzu jest głównym składnikiem reakcji chemicznej, która zachodzi w sytuacji, gdy środek smarowy
i powietrze wchodzą w kontakt. Utlenianie prowadzi do wzrostu lepkości oleju,  osadzania się lakieru i szlamu. Dalszym skutkiem obecności tlenu jest wyczerpywanie się dodatków, co w skrajnych przypadkach może prowadzić do korozji. Dodatkowo w trakcie procesu degradacji oleju pojawiają się w nim kwasy karboksylowe, które powodują wzrost jego kwasowości.

Pomiar zmienności wszystkich tych cech fizykochemicznych jest oczywiście możliwy, ale ze względu na skomplikowany charakter jest możliwy jedynie w laboratorium, przez co informacja zwrotna jest
w konsekwencji dostępna z dość dużym opóźnieniem.

W rozwiązaniach przemysłowych, gdy zależy nam na szybkości przekazu, często dokonujemy pewnych uproszczeń, czy też przybliżeń. Możliwe jest wyznaczenie reprezentatywnej zagregowanej i mierzalnej wielkości wtórnej, estymującej zmienność parametrów środka smarowego w czasie i określającej poziom jego degradacji w sposób względny, w % w stosunku do poziomu bazowego. Przykład takiego rozwiązania zostanie przedstawiony w kolejnej części niniejszego cyklu.

Zanieczyszczenie układu tribologicznego

Typowe zanieczyszczenia układu tribologicznego to woda, cząsteczki pyłu unoszącego się w powietrzu i przedostające się przez nieszczelności układu do oleju, inne zanieczyszczenia zewnętrzne mogące być katalizatorami przyspieszającymi proces degradacji oleju, sam zdegradowany olej, kwasy, a także cząsteczki stałe metaliczne (miedź lub żelazo) i niemetaliczne.

Zanieczyszczenie oleju cząstkami stałymi jest określane ilościowo i klasyfikowane według wielkości tych cząstek przy użyciu kodów ISO 4406, definiujących jego tzw. klasę czystości.

Klasa czystości środka smarowego (oleju) jest określana zgodnie z normą ISO 4406 za pomocą trzech liczb wskazujących przedziały ilościowe cząstek
o wielkościach >4μm, >6μm oraz >14μm.

Tabela przedstawiona obok wskazuje przedziały ilościowe zawartości cząstek stałych w jednym mililitrze płynu i odpowiadające tym przedziałom kody ISO.

Zalecane klasy czystości oleju dla niektórych rodzajów maszyn/urządzeń oraz sposób odczytu kodów ISO określających klasę czystości oleju wskazuje poniższa tabela. Przy okazji wskazano, w jaki sposób odczytywać podaną (zalecaną) klasę czystości oleju.

Z punktu widzenia niezawodnej pracy systemu tribologicznego, sama klasa czystości pracującego w nim środka smarowego to nie wszystko. Praktyka wskazuje, że groźne dla poprawnej pracy maszyny i szybkości procesów zużycia w niej postępujących, są cząstki stałe większe niż 20μm. Dlatego analiza środka smarowego standardowo jest rozszerzana o badanie występowania w nim cząstek stałych o wielkościach >21μm, >32μm oraz >70μm. Jeśli w środku smarowym zaczną pojawiać się cząstki o tych rozmiarach, należy podjąć działania korygujące zmierzające do wyeliminowania przyczyn ich powstawania.

Zużycie maszyny

Analiza oleju roboczego (środka smarowego) ma znaczący i unikalny udział w kontroli procesów zużycia maszyn/urządzeń, w których dany olej pracuje.

Dla przypomnienia w maszynach mamy do czynienia z następującymi procesami zużycia:

• zużycie zmęczeniowe
• zużycie adhezyjne (ślizgowe)
• zużycie ścierne
• zużycie korozyjne

Ponieważ każdy proces zużycia charakteryzuje się wytrącaniem do oleju (środka smarowego) cząstek stałych o specyficznym kształcie, kształt tych cząstek może być rozpoznany, a rodzaj zużycia postępującego w maszynie zdefiniowany. Jednocześnie poważność zużycia jest definiowana ilością i wielkością (rozmiarem) cząstek danego kształtu.

Rozpoznawanie kształtów cząstek i powiązanie ich z konkretnym procesem zużycia zachodzącym w maszynie wykonuje się najczęściej w laboratoriach techniką mikroskopową lub techniką obrazowania cyfrowego. Kluczowe dla tych działań jest posiadanie bogatej bazy danych obrazów wzorców cząstek charakterystycznych dla danego procesu zużycia, z którymi badana cząstka jest porównywana i przy zbieżności cech klasyfikowana do stosownej grupy definiującej rodzaj postępującego zużycia.

Jak już wskazano w poprzednich rozdziałach, w przypadku badań laboratoryjnych czas do uzyskania informacji zwrotnej jest wydłużony. Wielokrotnie sukces jest determinowany możliwością podjęcia szybkiej i trafnej decyzji, a do tego konieczna jest właściwa informacja trafiająca do właściwej osoby we właściwym czasie.
Temat ten zostanie rozwinięty w kolejnym artykule.

Podsumowując temat niniejszego artykułu, jakim jest „Ocena stanu systemu tribologicznego”, należy podkreślić, że dostępność informacji o stopniu degradacji środka smarowego, poziomie jego zanieczyszczenia oraz istotności procesów zużycia postępujących w maszynie nie jest taka oczywista, a sposób ich wykorzystania, jeśli już zostały pozyskane, jest utrudniony ze względu na opóźnienia związane z ich przekazem. W środowisku przemysłowym szybkość przekazu oraz łatwość jego interpretacji ma decydujące znaczenie w procesie podejmowania decyzji, przez co rozwiązania wspomagające takie procesy są w znacznym stopniu pożądane.