VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN VLIV STÁRNUTÍ PLASTICKÉHO MAZIVA NA JEHO CHOVÁNÍ V BLÍZKÉM OKOLÍ ELASTOHYDRODYNAMICKÉHO KONTAKTU INFLUENCE OF THE GREASE AGING TO ITS BEHAVIOR IN THE VICINITY OF THE ELASTOHYDRODYNAMIC CONTACT DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR Bc. Marek Navrátil VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Ing. David Košťál, Ph.D. BRNO 2019

2

3 Zadání diplomové práce Ústav: Ústav konstruování Student: Bc. Marek Navrátil Studijní program: Strojní inženýrství Studijní obor: Konstrukční inženýrství Vedoucí práce: Ing. David Košťál, Ph.D. Akademický rok: 2018/19 Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: Vliv stárnutí plastického maziva na jeho chování v blízkém okolí elastohydrodynamického kontaktu Stručná charakteristika problematiky úkolu: Plastické mazivo je schopno setrvat na aplikovaném místě a zajistit mazání díky své polotekuté konzistenci. Během životnosti ovšem dochází k postupnému poškození struktury maziva a tyto vlastnosti se mohou změnit. Starší mazivo může ochotněji vylučovat ze své struktury olej, nicméně ten zase může rychleji odtéct z místa, kde je požadováno mazání. Změna struktury maziva během jeho používání může mít za následek úplnou ztrátu mazací funkce a tím poškození mazaných součástí. Typ práce: výzkumná Výstup práce: publikační výsledek (J, D) Projekt: GAČR Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně / Technická 2896/2 / / Brno

4 Cíle diplomové práce: Hlavním cílem je popis vlivu stáří maziva na jeho chování v blízkém okolí elastohydrodynamického kontaktu. Dílčí cíle jsou: volba maziv vhodných pro experimenty a návrh podmínek provozu, zajištění starších vzorků maziva s konkrétní dobou provozu, zjištění vlivu stárnutí maziva na jeho tok v okolí kontaktu, vyhodnocení a publikace výsledků. Požadované výstupy: průvodní zpráva. Rozsah práce: cca znaků (40 50 stran textu bez obrázků). Struktura práce a šablona průvodní zprávy jsou závazné: Seznam doporučené literatury: SHIGLEY, J. E., CH. R. MISCHKE a R. G. BUDYNAS. Konstruování strojních součástí. VUTIUM, ISBN STACHOWIAK, G. W. a A. W. BATCHELOR. Engineering tribology. Fourth edition. Oxford: Butterworth-Heinemann, ISBN Termín odevzdání diplomové práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2018/19 V Brně, dne L. S. prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. ředitel ústavu doc. Ing. Jaroslav Katolický, Ph.D. děkan fakulty Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně / Technická 2896/2 / / Brno

5

6

7 ABSTRAKT Cílem diplomové práce je popsat rozdíly v chování plastického maziva podle stáří. Pro pozorování maziva v okolí kontaktu po zastavení je použita optická fluorescence, což umožňuje měřit tloušťku maziva i v případě nesouvislé, přerušené vrstvy maziva. Zkoumána jsou nová plastická maziva a jejich protějšky stárnuté v ložiscích. Jedno mazivo bylo stárnuto plánovanou dobu hodin, ale u zbývajících dvou byl provoz ukončen předčasně po přibližně 900 hodinách. Bylo prozkoumáno několik potenciálních projevů stáří ovlivňujících během provozu mazivo a byla nalezena korelace mezi chováním maziva a jeho kontaminací. Míra kontaminace byla v pozorovaných vzorcích identifikována jako hlavní příčina nedostatku maziva v kontaktu, což je jedna z příčin selhání mazivového filmu. Výsledky přispívají k porozumění komplexní problematiky mazání plastickými mazivy, jež není uspokojivě popsáno. KLÍČOVÁ SLOVA plastické mazivo, EHD kontakt, degradované mazivo, kontaminace, optická fluorescence ABSTRACT This thesis aims to describe the differences in grease behaviour caused by degradation. Observation of EHL contact and its surroundings is done using optical fluorescence, which allows to measure lubricant thickness even if it is discontinuous and air is present. New grease is observed, along with samples aged in bearings. One sample was worked for 1000 hours, which was the planned duration of the experiment. Two other samples were stopped prematurely after approx. 900 hours. Several possible age-related factors were examined and strong link between contamination and grease behaviour was found. In observed cases, contamination was identified to be the leading cause of lubricant shortage near EHL contact, which is one of possible bearing failure causes. The results expand existing knowledge about grease lubrication topic, but much further research is needed. KEYWORDS grease, EHL contact, degraded grease, contamination, optical fluorescence

8

9 BIBLIOGRAFICKÁ CITACE NAVRÁTIL, Marek. Vliv stárnutí plastického maziva na jeho chování v blízkém okolí elastohydrodynamického kontaktu. Brno, 2019, 86 s. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav konstruování. Vedoucí diplomové práce Ing. David Košťál, Ph.D.

10

11 PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce, spolubydlícímu za tématické připomínky a diskuzi, a také blízké rodině za korekturu a morální podporu. PROHLÁŠENÍ AUTORA O PŮVODNOSTI PRÁCE Prohlašuji, že diplomovou práci jsem vypracoval samostatně, pod odborným vedením Ing. Davida Košťála, Ph.D. Současně prohlašuji, že všechny zdroje obrazových a textových informací, ze kterých jsem čerpal, jsou řádně citovány v seznamu použitých zdrojů.. Podpis autora

12

13 1 ÚVOD 15 2 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ Plastická maziva Složení plastického maziva Struktura Reologie plastického maziva Hladovění Hladovění v kontaktech mazaných olejem Hladovění v kontaktech mazaných plastickým mazivem Doplňování maziva Oleje Záběh plastického maziva Bleeding plastického maziva Obnova filmu plastického maziva a jeho chaotické chování Složení mazacího filmu během životnosti 29 3 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE Analýza a zhodnocení poznatků z rešerše Cíl práce 34 4 MATERIÁL A METODY Metodologie Optický tribometr Optická fluorescence Kontaktní dvojice Maziva Získání vzorků opotřebovaných maziv Extrakce stárnutého maziva z ložisek Postup před experimentem Postup při měření Úpravy záznamu při vyhodnocování 46 5 VÝSLEDKY 50 13

14 5.1 Verifikační experiment Vliv počtu otáček disku na objem Nová maziva Stárnutá maziva Vliv viskozity Vliv provozního zatížení ložiska Vliv kontaminace Vliv závažnosti kontaminace Vizuální analýza Pohyb maziva v ložisku Rozdíl pozorovaného objemu ve vnitřní a vnější vrstvě Rozdíly v kontaminaci vzorků Rozdíly v chování maziva 64 6 DISKUZE Limitace optické fluorescence Nepřesnost analýzy kontaminace Vliv stáří maziva Vliv provozního zatížení a kontaminace Pohyb maziva v ložisku 73 7 ZÁVĚR 75 8 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ 76 9 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN Použité fyzikální veličiny SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM PŘÍLOH 86 14

15 1 ÚVOD Tribologie byla oficiálně definována jako vědní obor poměrně nedávno v roce Její název je odvozen z řeckého slova tribos třít. Podle definice se zabývá dvěma okruhy problémů: za prvé, popis maziv a mazacích filmů v kontaktu mezi dvěma tělesy. Za druhé, v případě přerušení mazacího filmu zkoumá následné opotřebení těles. Tření je primárním důvodem nefunkčnosti konceptu perpetuum mobile, při vzájemném pohybu dvou těles je část energie převedena třením na tepelnou. I když nikdy nebude pohybu bez ztrát dosaženo, dokonalé pochopení dějů souvisejích s třením umožní tyto ztráty minimalizovat v aplikacích, kde tření není požadováno. To je ve společnosti, která usiluje o dlouhodobou udržitelnost energetických zdrojů, velmi důležitý cíl. Valivá ložiska jsou nejtypičtějším příkladem strojní součásti, jejímž cílem je minimalizovat tření mezi dvěma povrchy. Pro svůj bezporuchový chod je nutné jejich chod podpořit kvalitním mazivem, což jsou ve většině případů plastická maziva. Ty mají ve srovnání s oleji několik výhod [1]. Díky svojí konzistenci nevyžadují cirkulační systémy a mohou plnit funkci izolace kontaktu před vnější kontaminací. Jsou proto jednoznačnou volbou pro bezúdržbové aplikace. Plastická maziva nejsou ale vhodná pro vysokorychlostní aplikace a tam, kde je nutné použít olej současně jako chladící medium [1]. obr. 1-1 Ložisko [2] I přes jejich rozšířenost nejsou děje v plastických mazivech zcela prozkoumány. Nedostatečné zásobování kontaktu mazivem (hladovění) je v případě použití plastického maziva velice pravděpodobné [3]. To může vést až ke kolapsu mazacího filmu a smíšenému mazání. Plastické mazivo je ale také schopné tloušťku filmu obnovit [4] a ze smíšeného mazání přejít zpátky do kapalinového mazání. Velmi komplikovaná reologie plastických maziv neumožňuje jednoznačné popsání a predikce těchto jevů [3] a proto jsou v současnosti pořád zkoumány. Na otázku, jaké vlastnosti má mazací film plastického maziva, z čeho se skládá a jak je tvořen není jednoznačná odpověď. Tato práce se bude zabývat pozorováním pohybu maziva v okolí kontaktu pro nová a stárnutá maziva. 15

16 2 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 2.1 Plastická maziva Plastická maziva jsou nejpoužívanějším typem maziva ve valivých ložiscích. Protože jsou velmi často předčasná selhání ložisek zaviněna selháním maziva, dobrá znalost vlastností a chování plastického maziva je nezbytná pro pro zlepšení životnosti i účinnosti ložisek [5] Složení plastického maziva Plastická maziva se skládají z tří složek: základový olej, zahušťovadlo a aditiva. Většina plastického maziva je tvořena základovým olejem, buď minerálním nebo syntetickým. V převážném zastoupení (99 %) je levnější minerální olej. Minerální oleje ale nesplňují požadavky velmi náročných aplikací, například nedostatečná viskozita ve vysokých teplotách, tuhnutí při velmi nízkých teplotách, náchylnost ke vznícení v přítomnosti vysoce oxidačních látek, přílišná těkavost a zdravotní závadnost. Syntetický olej se proto používá pro aplikace, ve kterých jsou minerální oleje nedostatečné. Syntetický olej má lepší mazací parametry i v normálních podmínkách. Zpravidla ovšem většinou není vhodný z ekonomických důvodů [6]. Zahušťovadla tvoří přibližně 5 15 % celkové hmoty plastického maziva. Základový olej je v zahušťovadle držen kombinací Van der Waalsových a kapilárních sil. Vzájemnou interakci si lze představit jako houbu, jež v sobě drží kapalinu [7]. Nejčastější jsou kovová mýdla, která se vyrábějí zahřátím a smícháním rostlinného nebo živočišného tuku s kovovou složkou nejčastěji lithium nebo vápník. Jejich nevýhodou však je, že jsou polární. To může vést ke komplikacím, typickým problémem je kompatibilita s aditivy. Jejich alternativou jsou prášková zahušťovadla, jež nemají bod tání a horním teplotním limitem je tedy oxidační limit základového oleje. Další zajímavou možností jsou polymerová zahušťovadla. Principiálně fungují velmi podobně jako mýdlová zahušťovadla, ale protože jsou nepolární, jsou kompatibilní s velkým množstvím aditiv. Jejich vysokoteplotní aplikace jsou ale limitované teplotou tání použitého polymeru, při větší teplotě se struktura rozpadá a olej vytéká [3, 6, 8]. Třetí složku plastického maziva tvoří aditiva, které se přidávají pro zlepšení specifických vlastností [5]. Dělí se na antioxidační, které zlepšují životnost, obzvláště za vysokých teplot. Druhou a třetí kategorii tvoří protikorozní aditiva, a aditiva zlepšující adhezní vlastnosti. Poslední skupinou jsou AW-EP (anti-wear, extreme pressure) aditiva. Ty mají za úkol zlepšit životnost a únosnost mechanických částí ložiska, většinou vytvořením ochranného povlaku na povrchu těles. Za přítomnosti polárních zahušťovadel ale mají tendence tvořit povlak na zahušťovadlech a ne na povrchu ložisek [3, 6]. 16

17 obr. 2-1 Snímek lithiového plastického maziva zhotovený pomocí AFM [10] Výroba se skládá ze čtyř hlavních fází vaření, míchání, stlačení a filtrace. Během tohoto postupu dochází ke homogenizaci základového oleje a zahušťovadla. Je pravděpodobné, že základový olej při procesu prochází změnami. Základový olej a jeho protějšek extrahovaný z plastického maziva se neshodují, jak popsal Cousseau [9]. Zároveň ale poznamenal, že nejsou jasné podmínky, při kterých dochází v ložiscích k vylučování oleje z plastického maziva a proto nelze jednoduše použít pro výpočty vlastnosti vyloučeného oleje. Tento extrahovaný olej (bleed-oil) je v rešerši nazýván jako vyloučený. 17

18 2.1.2 Struktura Struktura zahušťovadla připomíná, v závislosti na použitém zahušťovadle a způsobu pozorování, zamotané dlouhé vlasce, popřípadě má houbovitou strukturu. Podle Scarletta [10], který pozoroval zahušťovadla v 60. letech metodou rastrovací elektronové mikroskopie (SEM) je délka těchto vlasců od 1 do 100 µm s poměrem délky a průměru od 10 do 100 µm. Tento poměr koreluje s tuhostí plastického maziva. Salomonsson [11] ale poukazuje na fakt, že pro pozorování metodou SEM je potřeba z zahušťovadla odstranit základový olej a tímto procesem se pravděpodobně pozmění také struktura samotného zahušťovadla může dojít k jejímu zhroucení a snímky proto mohou být zavádějící. Pozorování modernějšími metodami poskytuje jiné výsledky, Hurley a Cannová [12] a Baart [13] použili metodu mikroskopie atomárních sil (AFM) a jimi pozorovaná vlákna zahušťovadla měří µm s průměrem přibližně 0,2 µm. Pro AFM není nutné oddělovat základový olej, neexistuje tedy riziko deformace struktury zahušťovadla. AFM snímky se liší od metody SEM v tom, že vlasce zahušťovadla jsou podstatně dále od sebe a potvrzuje domněnku Salomonssona [11] Reologie plastického maziva Plastické mazivo je smykem řídnoucí (shear thinning) - ve smykovém namáhání klesá jeho viskozita. Tato závislost není lineární. Je také thixotropické, závislé na době působení smykového zatížení. Na obr. 2-2 vidíme ukázku typické thixotropické kapaliny [14]. obr. 2-2 Graf typické závislosti střihu a času pro thixotropickou kapalinu [14] 18

19 Cousseau [15] pozoroval, že reologie plastického maziva je přímo ovlivněna použitým zahušťovadlem. Vyloučený olej je viskóznější než základový pro polypropylenová zahušťovadla, u mýdlových zahušťovadel je tomu přesně naopak. Dalším faktem, jež ztěžuje zkoumání a tvorbu modelů plastického maziva, je jeho proměnná reologie během životnosti. Na počátku se plastické mazivo chová jako Binghamova kapalina při malém zatížení je podobná pevné látce. Od spuštění provozu ložiska je struktura maziva ničena vlivem opakovaného působení sil a stává se z ní nenewtonská viskózní látka. Výrobci proto udávají konzistenci nového i zaběhlého plastického maziva. 2.2 Hladovění Nedostatečné zásobování kontaktu mazivem (hladovění) je jev, kdy se do elastohydrodynamického kontaktu nedostává dostatečné množství maziva. Vyskytuje se velmi často v ložiscích operujících za vysokých rychlostí, popřípadě v ložiscích mazaných plastickými mazivy. Hladovějící kontakt se chová velmi odlišně v porovnání s plně zaplaveným kontaktem. Zatímco u plně zaplaveného kontaktu tloušťka filmu stoupá se zvyšující rychlostí, u kontaktu hladovějícího s větší rychlostí tloušťka filmu klesá [16]. Je proto nezbytně nutné znát mazací režim, v kterém ložisko bude operovat a také které provozní parametry a vlastnosti maziva ovlivňují přechod mezi těmito dvěma režimy [17]. obr. 2-3 Rozdíl mezi plně zaplaveným kontaktem (vlevo) a hladovějícím [18] V plně zaplaveném kontaktu (obr. 2-3 vlevo) je mezera mezi dvěma tělesy kompletně zásobována mazivem. Konvergující mezera, která je vytvářena geometrií těles a jejich deformacemi způsobuje, v kombinaci s relativním pohybem, vtahování maziva do kontaktu. Díky geometrii mezery dochází k nárůstu tlaku v mazivu, výraznému zvýšení viskozity a tím generování vrstvy maziva, která plně odděluje tělesa [18][19]. 19

20 Při podmínkách hladovění je oblast dostupná pro nárůst tlaku značně zmenšena. V oblasti, kde by v případě plně zaplaveného kontaktu již nárůst probíhal, totiž není k dispozici mazivo. V tomto případě je tlak v kontaktu rozdílný při srovnání s plně zaplaveným kontaktem, což sekundárně způsobí menší tloušťku mazacího filmu mezi povrchy [19] Hladovění v kontaktech mazaných olejem Počátečními výzkumy hladovění se zabývali Orcutt a Cheng [20], Chiu [21], Wedeven a kol. [22], Emberton s Cameronem [23] a Hamrock [24]. Ukázali závislost pozice vstupního menisku (spojení mazacích filmů před kontaktem) se závažností hladovění. Posunutí menisku bylo také definováno jako hlavní důvod hladovění. Zkrácení prostoru pro nárůst tlaku posunutím má za následek snížení tloušťky mazacího filmu [19], [17]. obr. 2-4 Zobrazení tloušťky kontaktu a pozice vstupního menisku v závislosti na různých úrovních hladovění [25] Dalším významným pokrokem byla čtyřdílná práce Hamrocka a Dowsona, zabývající se EHD bodovým kontaktem [24, 26 28]. Autoři vytvořili kompletní model výpočtu centrální a minimální tloušťky filmu maziva pro plně zaplavený kontakt. Jedná o standard, který se používá pro srovnání s novými modely a experimentálními výsledky dodnes. V poslední části práce, která se zabývala hladovějícím kontaktem, autoři také definovali vztah pro výpočet centrální a minimální tloušťky filmu v závislosti na pozici vstupního menisku., =,. (1), =,. (2) 20

21 kde, je centrální tloušťka hladovějícího kontaktu v mm,, je centrální tloušťka plně zaplaveného kontaktu v mm,, je minimální tloušťka hladovějícího kontaktu v mm,, je minimální tloušťka plně zaplaveného kontaktu v mm, m je bezrozměrná vzdálenost vstupní oblasti a m* je bezrozměrná vzdálenost mezi vstupními hranicemi pro plně zaplavený a hladovějící kontakt. Ve všech výše zmíněných studiích byly vztahy definovány pouze v závislosti na pozici vstupní oblasti (menisku). Čím více je vzdálenost menisku od Hertzovy oblasti (kontaktu) menší, tím větší je míra hladovění kontaktu [19]. Tento vztah, pro který je potřeba pro výpočet znát polohu vstupního menisku je ale velmi nepraktický [25]. Za prvé je s více hladovějícím kontaktem tloušťka filmu na pozici menisku extrémně citlivá, a za druhé je parametr bezrozměrné vzdálenosti meniskové oblasti od Hertzovy oblasti v praxi téměř neměřitelný. V extrémních případech hladovění dochází dokonce ke sloučení obou oblastí, ale tloušťka filmu se stále zmenšuje [19]. Chevalier [25] vytvořil modely predikující tloušťku filmu v hladovějícím kontaktu z množství maziva, jež do kontaktu vstupuje, protože toto množství ovlivňuje jak pozici menisku, tak úroveň hladovění. Parametr je v praxi snáze pozorovatelný. Zohlednil také opakovaní kontaktu a nekonstantní tloušťku vstupního maziva. Poznamenal, že model předpokládající konstantní vstupující tloušťku maziva po celé šířce kontaktu, není přesný, protože mechanismy doplňování maziva do kontaktu nelze snadno předvídat. V některých případech může střed kontaktu hladovět i přesto, že boky kontaktu jsou mazivem plně zásobené. Zanedbával ale mechanismy doplnění maziva do kontaktu a model pro velké množství opakování selhává. Tloušťka filmu se blíží nule, což není shodné s realitou [19]. Na obr. 2-4 vidíme výsledky této studie pro různé stupně hladovění. Vlevo je kontakt zobrazen graficky, vpravo je řez kontaktem s viditelnou tloušťkou filmu. Numerické studie Chevaliera a kol. byla experimentálně potvrzena Damiensem [17]. Pozorování bylo provedeno metodou optické interferometrie na kontaktu kulička-disk. Autoři se také zaměřili na vztah tloušťky mazacího filmu a hladovění vůči rychlosti, viskozitě maziva (regulovaná teplotou), zatížení a množství maziva. Autoři byli schopni těmito parametry uspokojivě předpovídat režim mazání a chování filmu v případě hladovění. Na obr. 2-5 je viditelný vliv zatížení, což je jeden z popsaných parametrů. Závěrem autoři poznamenali, že pro případ hladovění kontaktu mazaného olejem jsou získané vědomosti dostatečné pro předvídání mazacího režimu. Jako další nutný krok výzkumu označili autoři přenesení těchto vědomostí pro případ mazání plastickým mazivem. 21

22 obr. 2-5 Vlevo vliv zatížení na tloušťku filmu, vpravo vyjádření vztahu rychlosti a zatížení [17] pro olej Hladovění v kontaktech mazaných plastickým mazivem Všechny doposud popsané studie se zabývaly základovým olejem, jež se pro ložiska příliš často nepoužívá, je ale pro pozorování a numerické modely mnohem vhodnější. V případě mazání plastickým mazivem téměř všechny publikované experimenty provedené pomocí optické interferometrie s kontaktem kulička-disk pozorují nedostatečné zásobování kontaktu mazivem [29]. Merimeux [14] popsal čtyři základní modely průběhu hladovění kontaktu mazaného plastickým mazivem (viz obr. 2-6). Jedná se o tyto případy: a) Plně zaplavený kontakt Tloušťka filmu h je v tomto případě stabilní, je o něco větší než v případě mazání základovým olejem. To je připisováno zvýšené viskozitě získané zahušťovadlem smíchaným se základovým olejem [30]. Merimeux tvrdí, že zjednodušený postup výpočtu spočívá v kalkulaci tloušťky maziva s použitím základového oleje, a považuje jej za dostatečně přesný. Nicméně Lugt [3] uvádí několik studií, podle kterých nelze toto zjednodušení provést za vysokých smykových sil. V takovém případě bude tloušťka filmu dosahovat přibližně 70 % tloušťky filmu základového oleje [31 33]. Merimeux dále poznamenává, že se nejedná o ideální stav, protože plně zaplavený kontakt generuje velké množství tepla a plastické mazivo v něm stárne rychleji, než by bylo žádoucí. Také valivý odpor ložiska je větší než v případě kterékoliv varianty hladovějícího kontaktu. b) Hladovějící kontakt Druhým extrémem je pak hladovění s neustále klesající tloušťkou mazacího filmu. Jedná se o nežádoucí stav tloušťka klesá dokud nenastane mezné mazání. Následuje poškození povrchů a selhání ložiska. Jev lze očekávat při velmi nízkých teplotách. 22

23 obr. 2-6 Typické průběhy hladovějícího kontaktu s plastickým mazivem [29] c) Hladovějící kontakt se stabilizací Jedná se o model b) s přidaným mechanismem doplňování maziva do dráhy kontaktu tečením a kapilárními silami. Stabilizovaná tloušťka maziva je preferovanou variantou, nedochází ani k urychlenému stárnutí maziva ani k poškozování povrchů. Předpoklad časově stálého doplňování maziva je ale nerealistický. d) Hladovějící kontakt s obnovou Jedná se o nejsložitější, ale také nejreálnější model hladovění plastického maziva. Doplňování maziva se s uplynutým časem zvyšuje, a tím se zvyšuje tloušťka filmu. Je to zřejmě zapříčiněno postupnou destrukcí zahušťovadla v mazivu na okrajích dráhy. Z maziva vytéká základový olej a doplňuje mazivo v dráze kontaktu. Autor práce [14] vytvořil model popisující případ d) množství maziva doplňující mazání kontaktu v závislosti na počtu opakování. Práce bohužel pro doplňování nezohlednila různé viskozity oleje. Experimentální část práce se s modelem podle autora uspokojivě shodovala, podle Lugta je ale experimentální ověření velmi slabé [29] 2.3 Doplňování maziva V předchozí kapitole bylo popsáno hladovění a především jeho vliv na tloušťku filmu. Jako příčina hladovění byla definována nerovnováha mezi množstvím maziva vytlačeným z dráhy kontaktu a množstvím maziva, které se do kontaktu doplní zpět. Tato kapitola se snaží popsat mechanismy doplňování maziva do kontaktu. 23

24 2.3.1 Oleje obr. 2-7 Fáze vývoje tloušťky filmu v dráze kontaktu [21] Chiu [21] označil jako důvod doplňování maziva do kontaktu povrchové napětí maziva. V okraji dráhy se prudce mění tloušťka maziva a nachází se tam proto tlakový peak povrchového napětí. Následkem je tlačení maziva do dráhy kontaktu a vyrovnávání tloušťky. Časový interval mezi převalením kontaktu udává celkové množství doplněného maziva, viskozita je ovlivňuje negativně. Chiu ale prováděl experimenty s velkým množstvím maziva (0,1 0,5 mm tloušťka filmu) a hladovění dosahoval vysokými rychlostmi. Meniskus byl zatím zmiňován, protože je dobrým indikátorem stupně hladovění kontaktu. Pemberton a Cameron [23] pozorovali jeho chování v konfiguraci kulička-disk okolo kontaktu. Jeho zadní část se při vyšších rychlostech nedokáže zacelit a tvoří za kontaktem na okrajích dráhy pruhy se zvýšenou tloušťkou (obr. 2-8, schematicky na obr. 2-9). Znamená to, že Chiův model, který předpokládal homogenní okolní tloušťku filmu, je nepřesný. 24

25 obr. 2-8 Mazivo vracející se mimokontaktně do dráhy [34] (rozdíl mezi dvěma čarami) Jacod [34] se zaměřil na velmi tenké filmy a vysoké stupně hladovění. Rozdělil mechanismy doplňování maziva na dvojí: mimokontaktní, který byl uvažován do té doby, a doplňování během kontaktu (přesněji těsně před kontaktem). Mimokontaktní část označil pro velmi tenké filmy (jednotky nanometrů) jako zanedbatelnou, tvrzení podložil například na obr. 2-8, kde doba oběhu byla jedna minuta a šířka dráhy před a za kontaktem jsou si velmi podobné. V další části práce se autor zabýval tvorbou numerického modelu doplňování maziva v blízkosti kontatku, nejprve pro nehybný geometrický model a závěrem i pro pohybující se kontakt. Podařilo se mu modelovat vývoj tvaru menisku okolo Hertzovy oblasti po zastavení kuličky. Časový vývoj tvaru sice s experimentem nesouhlasil absolutně, nicméně řádově ano. V poslední části autor do modelu přidal rychlost a dokázal předpovídat s rostoucí rychlostí vzrůstající stupeň hladovění. Stejně jako v předchozí části realitě odpovídal pouze průběh modelu, nikoliv absolutní hodnoty. V experimentu byl nárůst stupně hladovění v závislosti na zvyšující se rychlosti výraznější. 25

26 obr. 2-9 Profil dráhy s pruhy pozorovanými Pembertonem a Cameronem podle Gershuniho modelu [35] Gershuni [35] vytvořil numerický model pro filmy s větší tloušťkou, než zkoumal Jacod. Uvažoval postranní pruhy, které zmínili už Pemberton a Cameron [23]. Na obr. 2-9 je předpokládaný profil znázorněný autorem. Jeho model ukazoval velkou míru shody s experimentálním ověřením, praktické využití je ale omezené, protože časová osa průběhu obnovy filmu se pohybuje ve stovkách hodin. Autor tento jev pro ložiskové aplikace hodnotí jako zanedbatelný. V druhé části studie se autor zabýval vlivem odstředivých sil, vznikajících rotací ložiska, na profil filmu. Protože časová osa je opět ve stovkách sekund, efekt byl shrnut jako nevýrazný v porovnání s pohybem maziva v těsné blízkosti kontaktu. Zároveň ale autor ale poznamenává, že pro velmi přesný model mazání v ložisku je nutné s odstředivými silami počítat. Zajímavým poznatkem z obou částí studie je to, že tloušťka centrální části filmu v Hertzově oblasti začala podle modelu růst, až když se oba pruhy setkaly. Stejně jako v kapitole Hladovění, výše uvedená rešerše doplňování maziva se zabývala především základovými oleji. Při zohlednění komplexní reologie jsou ale tyto poznatky považovány za platné i pro plastická maziva. Dále budou popsány mechanismy ovlivňující doplňování maziva do kontaktu specifické při použití plastických maziv. 26

27 2.3.2 Záběh plastického maziva V prvních chvílích provozu ložiska se plastické mazivo nachází rovnoměrně rozmístěné v celém objemu ložiska. Pohybujícími částmi ložiska je ale většina plastického maziva vytlačena z aktivní části ložiska s pohybujícími se komponenty. Protože se mazivo chová jako Binghamova kapalina (kap ), tj. zpátky samovolně nenateče. Migrace maziva během záběhu je důvodem zvýšeného valivého odporu ložiska a také zvýšené provozní teploty. Tento proces se nazývá záběh (churning) a trvá řádově desítky minut. Lugt [4] záběh dokumentoval pozorováním maziva na okraji válečkového ložiska (obr. 2-10). Fotografie po 55 minutách a 500 hodinách se téměř nelišily, záběh lze na pravé fotografii považovat za dokončený. obr Pohyb maziva během záběhu jak jej zdokumentoval Lugt [4] Bleeding plastického maziva Při záběhové fázi byla většina plastického maziva vytlačena mimo dráhu kontaktu. Část vytlačeného maziva ale zůstává velmi blízko dráze a vytváří tzv. rezervoáry v okolí ložiskové klece [4] a útvary tuhého plastického maziva v blízkosti dráhy kontaktu. Tyto útvary vylučují ze zahušťovadla olej, který zaplavuje kontakt. Vylučování oleje z rezervoárů (bleeding) je popisováno jako nejdůležitější mechanismus, jež dodává do blízkosti kontaktu mazivo. Tuto myšlenku formulovali před více než 60 lety Booser a Wilcock [36] Baker [37] studoval ochotu plastického maziva vylučovat olej v závislosti na teplotě. Pozoroval silnou korelaci, se stoupající teplotou je olej vylučován velmi ochotně, naopak v teplotách menších než +20 C vylučování téměř nelze pozorovat. 27

28 Wikström a Jacobson [38] definovali jednoduchý algoritmus vzniku a zániku maziva v kontaktu mazaném plastickými mazivy (obr. 2-11). Vylučování oleje z rezervoáru dodává potřebný olej. Vypařování, oxidace, polymerizace a vytláčení oleje z dráhy jej naopak nenávratně odebírá. Poukázali na obtížné pozorování jevu vylučování na systému kuličkadisk, protože narozdíl od ložiska chybí mechanismy přirozeně tvořící vylučování v ložisku, například vibrace nebo pohyb klece. obr Algoritmus vzniku a zániku maziva pro kontakt [38] Obnova filmu plastického maziva a jeho chaotické chování Většina experimentů pozoruje podle Lugta [4] chování plastického maziva příliš krátkou dobu. Experimenty v laboratoři definované jako dlouhodobé dosahují pouze přibližně 1 % času životnosti ložiska a případně extrapolují naměřená data dále. Druhým problémem je teplota. Experimenty životnosti, ač delší, jsou záměrně prováděny v temperovaném prostředí se zvýšenou teplotou. To má za cíl uměle zrychlit průběh experimentu, ale potlačují se přirozené teplotní projevy plastického maziva. Lugt na tyto poznatky reagoval sérií dlouhodobých experimentů s teplotou ovlivňovanou pouze ložiskem. Pozoroval chaotické chování teploty během experimentu několikrát došlo, na první pohled bezdůvodně, k přechodnému zvýšení teploty s následnou stabilizací zpátky na provozní teplotu. Autor současně pozoroval i oddělení povrchů. Jak je vidět na obr. 2-12, teplota a oddělení povrchů spolu úzce souvisí. 28

29 obr Oddělení povrchu a teplota pozorovaná Lugtem [4] Autor nabízí následující vysvětlení: ložisko postupně trpí stále závažněji hladověním, až nakonec dojde k selhání filmu. Kontakt se přesune do oblasti mezného mazání a nastane zvýšení teplot. Zvýšená teplota příznivě ovlivňuje vylučování maziva a do kontaktu se dostává velké množství čerstvě vyloučeného oleje. Díky tomu dojde znovu k oddělení kontaktů a teplota se vrací na běžnou provozní. Přebytek maziva v kontaktu se postupně spotřebuje a celý proces se opakuje Složení mazacího filmu během životnosti Doposud byly zmíněny předpoklady, že ložisko je mazáno olejem vyloučeným ze zahušťovadla procesem zvaným bleeding (vylučování oleje). Nebyly ovšem provedeny experimenty pro ověření těchto tvrzení. Cannová [39] pozorovala, že je tloušťka plastického maziva v kontaktu složena ze dvou složek: tou první je vrstva zahušťovadla na povrchu ložiska. Tato vrstva vzniká při prvních opakováních kontaktu zničením původního plastického maziva a je nezávislá na rychlosti. Druhou složku vytváří hydrodynamická část, tvořená vyloučeným olejem. 29

30 Cousseau [9, 40, 41] pozoroval a porovnal mezi sebou vlastnosti plastického maziva, základového a vyloučeného oleje. Pozoroval zásadní rozdíly mezi vyloučeným a základovým olejem. Také sledoval podobu mezi tloušťkou plastického maziva a vyloučeného oleje v případě plně zaplaveného kontaktu. Na základě těchto pozorování lze domněnku z prvního odstavce této podkapitoly lze považovat. Cousseau ovšem zdůrazňuje, že nebylo provedeno stejné pozorování pro hladovějící kontakt, popř. pro kontakty s velmi malou tloušťkou filmu. V takovém případě souhlasí s Cannovou, hlavní část tenkého filmu je podle něj tvořena zbytky zahušťovadla a aditivy. V pozdější rozsáhlé práci [42] se k tématu vrací. Pozoruje tři nová a stárnutá plastická maziva, také jejich vyloučené a základové oleje. Stárnutá maziva získává uměle: smykově je namáhá 1 hodinu a poté je nechává po dobu 72 hodin v peci při 130 C. Pro plně zaplavené kontakty potvrzuje dvě existující domněnky: tloušťka filmu pro plastické mazivo a vyloučený olej je vyšší než v případě základového oleje. Pro vyloučený olej se tloušťka liší od svého základového oleje podle použitého plastického maziva. Také potvrzuje, že pro některá plastická maziva nelze spočítat tloušťku v kontaktu použitím vyloučeného oleje ve výpočtu. Autor předpokládá, že výpočet zohledňující i použité zahušťovadlo bude úspěšnější. obr Couetteův přístroj pro zkoumání stárnutí maziva 30

31 Dále autor provedl pozorování tloušťky maziva pro hladovějící kontakty a zjistil, že po ukončení záběhu tloušťka filmu rychle klesá, pak se stabilizuje. Stabilizovaná, neklesající tloušťka je ale nestálá a velmi prudce osciluje. To je připisováno malým útržkům plastického maziva vstupujícím do kontaktu. Stabilizovaný film se pravděpodobně skládá z vyloučeného oleje a zahušťovadla, které kontaktem prochází. Zahušťovadlo postupně vlivem adheze zůstává na povrchu kontaktu. Je důležité poznamenat, že délka experimentů pozorující tloušťku filmu byla pouze 30 minut od začátku hladovění. Podle zjištění Lugta [4] tedy zjištěná data pravděpodobně nejsou reprezentativní pro celou dobu provozu maziva. Zhou [43] pozoroval změny v mazivu stárnoucím smykovým namáháním v přístroji na obr Měřil tření ve smykovém reometru a v různých stádiích stárnutí (do 200 hodin) pozoroval strukturu zahušťovadla. Pozoroval dvě fáze: v první je zničena celistvá struktura zahušťovadla a v druhé pozoroval výrazný pokles tření ale také pokračující štěpení zahušťovadla na menší útvary. I když se jedná o proces značně pomalejší než v první fázi, nelze strukturu maziva považovat za konstantní. Další metodou pozorování stárnutí maziva je odběr vzorků stárnutého maziva z reálného provozu. Jedná se ale o značně dlouhodobý projekt a Zhou v úvodu výše zmíněné práce poznamenává [44], že je velmi problematické přesné stanovení podmínek, kterými pozorované mazivo prochází, tj. doba provozu, zatížení, teplota, vibrace, kontaminace apod. Srovnání maziva z reálného provozu provedl například Lundberg [45], který pozoroval mazivo odebrané ze železničních vagonů. Zaměřil se na prověření existujících metod predikujících stárnutí maziva. Čtyři z 6 použitých metod selhávají, jednu metodu (kterou použil např. Cousseau [42]) prohlašuje za použitelnou pro predikci životnosti maziva a kombinaci dvou metod prohlašuje za vhodnou pro predikci opotřebení ložiska. 31

32 3 ANALÝZA PROBLÉMU A CÍL PRÁCE 3.1 Analýza a zhodnocení poznatků z rešerše Plastická maziva jsou pro ložiskové aplikace nejpoužívanějším řešením mazání. I přes jejich rozšířenost není znám jednoznačný postup pro predikci jejich chování. První část rešerše zkoumala základní fakta plastických maziv. Z čeho a jak se vyrábějí, vzájemná interakce zahušťovadla a oleje. Důležité je, že olej extrahovaný z plastického maziva se neshoduje se základovým olejem [9]. Největší podíl na komplikovanosti plastických maziv nese jejich složitá reologie. V klidu se chovají jako pevné látky, až pod vlivem zatížení jsou kapalné. Viskozitu mění nejen v závislosti na velikosti, ale také v závislosti na době působení smykového namáhání. Pokud jsou ponechány v klidu, viskozitu opět nabývají. Také je rozdíl mezi novým a používaným plastickým mazivem [15]. Stárnutím ztrácí mazivo Binghamovské vlastnosti a chová se jako viskozní kapalina nezávisle na působení sil. Druhá část rešerše se zabývala hladověním, převážně byla snaha popsat průběh jeho zkoumání. Znalost této problematiky je pro bližší pochopení plastických maziv nezbytná, až na výjimky plastická maziva operují v režimu hladovění. Velmi důležitý je také poznatek, že hladovění není v případě plastických maziv záporný jev [14]. Někdy se může dokonce jednat o preferovaný režim mazání spojený s nižším třením. obr. 3-1 Dráha kontaktu a blízké okolí po 150 a 4500 opakováních. Po stranách kontaktu jsou rezervoáry [14] Pokud plastická maziva hladovějí, dá se předpokládat trojí průběh [14]. První, ideální variantou je stabilizace tloušťky filmu v průběhu hladovění. Druhou možností je růst tloušťky filmu, obnovení plně zaplaveného kontaktu, a zvýšení třecího koeficientu. V poslední, havarijní variantě tloušťka filmu klesat nepřestává, až nastává mezné mazání, zrychlené opotřebování povrchů a konečně selhání ložiska. 32

33 Poslední část rešerše se zabývala doplňováním maziva do kontaktu. V případě stabilizace nebo obnovy tloušťky filmu je zjevné, že mazivo vytlačené z dráhy kontaktu musí být nahrazeno dalším. Převládá názor, že toto nové mazivo je vylučováno z rezervoárů v blízkosti kontaktu [36]. Zajímavým příkladem doplňování maziva je jev, kdy kontakt přejde do výrazného hladovění a mezného mazání [4]. To způsobí zvýšení teplot, což napomáhá vylučování oleje ze zahušťovadla. Nově vyloučený olej zaplaví kontakt a obnoví mazací film. Při použití plastického maziva není jasné, co tvoří mazací film. Cannová [30] pozorovala, že je film tvořen ze dvou vrstev: vrstva rozmačkaného zahušťovadla, nezávislá na rychlosti, a vrstva hydrodynamická. Předpoklad je, že hydrodynamická vrstva je tvořena vyloučeným olejem, uvolňovaným z rezervoárů plastického maziva poblíž kontaktu. Tento předpoklad však nebyl uspokojivě prokázán. Nejrozšířenějším způsobem zkoumání chování maziva v laboratorních podmínkách je pozorování tloušťky filmu jednoho kontaktu v konfiguraci kulička disk. Tato konfigurace se ale ve srovnání s ložiskem liší. Interval mezi dvěma opakováními kontaktu je delší, často i řádově. Odstředivé síly jsou orientovány na jednu boční stranu kontaktu. U radiálních ložisek je orientace těchto sil vertikální. Trvání experimentů jsou často velice krátké v porovnání s životností plastického maziva. Na druhou stranu použití ložisek je velice limitujícím faktorem, z technických důvodů nelze zkoumat tloušťku filmu. Pozoruje se tření, existence mazacího filmu (oddělení kovových povrchů) a teplota [4, 46]. Pro zkoumání vlastností degradovaného maziva se používají postupy simulující mazivo v provozu nejčastěji smykovým napětím [42, 44] nebo termálně, popř. kombinací těchto dvou [42]. Jedná se ale pouze o simulace provozu ložiska, a není jasné, zda proces stárnutí maziva odpovídá těmto postupům. Použití maziva stárnutého v reálném provozu ale také není bez záporů, problematické je především určení provozních podmínek pozorovaného maziva. Pokud je ale pro výzkum takové mazivo zajištěno, konvenčně používané metody stárnutí jsou prohlášeny za nepřesné, nebo přímo nepoužitelné. [45] Průběh chování během životnosti maziva je nedostatečně prozkoumanou oblastí. Téměř všechny experimenty používají maziva buď degradovaná uměle nebo maziva nová, degradovaná desítky minut přímo v experimentálním zařízení. To je zanedbatelný časový úsek v porovnání s životností plastického maziva, která se obvykle pohybuje v tisícovkách hodin. 33

34 3.2 Cíl práce Cílem této diplomové práce je pozorování rozdílného chování nového, nepoužitého plastického maziva a maziva stárnutého v provozu v kuličkových ložiscích. Aby byl experiment proveden, je nutné zvolit vhodná maziva, úspěšně je stárnout monitorovaným procesem, a nakonec mazivo úspěšně z ložisek extrahovat, aniž by extrakcí byla pozměněna jeho struktura. Při experimentu bude pozorován a kvantifikován objem a rychlost toku maziva do blízkého okolí kontaktu po zastavení. Prozkoumání problematiky přispěje k objasnění změn, kterými během provozu mazivo prochází, konkrétně jestli a jak se mění průběh doplňování maziva do kontaktu. Dalším, potenciálním, přínosem práce je možnost srovnání pozorovaných změn s již provedenými experimenty, které pozorovaly maziva stárnutá uměle. 34

35 4 MATERIÁL A METODY 4.1 Metodologie obr. 4-1 Schéma postupu diplomové práce Nejprve bylo nutné určit pozorovaná maziva s ohledem na testovanou metodu a použitelnost při stárnutí. Pak se práce ubírala ve dvou souběžných okruzích řešení: Prvním, prioritním ze dvou směrů bylo získání stárnutého maziva. Stárnuté mazivo je takové, které bylo určitý počet hodin v provozu a od nového maziva se může strukturálně a chemicky lišit. S ohledem na zvolená maziva byly stanoveny provozní podmínky stárnutí maziv a doba stárnutí. V ohledu na to byly ložiskové stanice upraveny, smontovány a stárnutí bylo spuštěno. Proces vyžadoval poměrně intenzivní pozornost, zejména hlídání teploty a vibrací. Po dokončení stárnutí byly stanice rozmontovány a vyjmuta ložiska. Z ložisek se extrahovalo mazivo. Současně se stárnutím maziva probíhaly verifikační experimenty s novými mazivy. Na základě těchto experimentů byly upřesněny podmínky experimentů pro porovnání nových a starých maziv. Ověřil se postup vyhodnocování měřených dat a bylo určeno, které parametry je nutné získat současně s měřením, aby byla data pozorovaná během experimentu správně převedena na tloušťku maziva (detailněji popsáno v podkapitole 4.10). Po úspěšném dokončení těchto dvou souběžných kroků byly provedeny experimenty s novými a starými mazivy. Je realizována kontrola dat a pokud je vše v pořádku, data jsou vyhodnocena je popsán časový vývoj tloušťky a toku maziva do kontaktu. 35

36 4.2 Optický tribometr Pro studium okolí EHD kontaktu byl použit optický tribometr sestavený na Ústavu konstruování v konfiguraci ball-on-disc. Vzájemným odvalováním kuličky a disku za přítomnosti maziva je vytvářen tenký film. Zatížení je v kontaktu vytvářeno přes disk pomocí závaží umístěného na páce. Velikost zatížení je ověřována pomocí průměru Hertzovy oblasti. Přístroj je vybaven nezávisle řízenými servomotory pohánějícími kuličku a disk, což umožňuje řídit skluz mezi členy. obr. 4-2 Schématické znázornění optického tribometru [47] Nelze předpokládat, že pozorovaný průběh toku maziva do kontaktu na kontaktní dvojici disk-kulička bude možné kvantitativně propojit se stejným mechanismem, který se odehrává v kuličkovém ložisku rozdílnost pozorované a reálné kontaktní geometrie je značná. Můžeme ale předpokládat, že případný rozdíl mezi tokem nového a starého maziva v reálném kontaktu v ložisku bude následovat stejný vývoj jako při pozorované geometrii disk-kulička. 36

37 Pozorovací část zařízení je založena na principu optické fluorescence. Fluorescenční modul je umístěn nad tribometrem a skládá se ze zdroje světla, světelných filtrů, dichroického zrcadla a objektivu s 5násobným nebo 10násobným zvětšením, který je směrován na oblast kontaktu. Mikroskop obsahuje karusel umožňující jednoduchou výměnu filtrů pro různé vlnové délky. Jako zdroj světla je použita rtuťová výbojka. obr. 4-3 Fotografie optického tribometru (upraveno z [48]) Pro záznam signálu je použita kamera Andor Neo se 16bitovým scmos snímačem chlazeným až na -40 C pro potlačení šumu. Kamera tvoří záznam s maximálním rozlišením 2560x2160 pixelů při 100 snímcích za sekundu a možností až 8x8 hardwarového binningu. Rozměr odpovídající jednomu pixelu kamery je 6,5x6,5 μm. Úplný výpočet rozměru jednoho pixelu na snímku je: velikost pixelu snímku = ě š í (1) Poslední, nepovinnou částí tribometru je černá stínící plachta sloužící k redukci signálu pocházejícího z okolního osvětlení místnosti a denního světla. 4.3 Optická fluorescence Vzorky budou pozorovány metodou optické fluorescence. Proces fluorescenčního jevu lze rozdělit do tří fází: [19] 37

38 Excitace foton, který je excitován žhavící lampou nebo laserem, je absorbovaný fluorescenčním barvivem, nastává fáze rozrušeného pohybu molekuly. Fáze rozrušeného pohybu molekula setrvává v tomto stavu přibližně 1 až 10 ns, během této doby podstupuje excitované barvivo určitou formu relaxace (dochází k disipaci energie), následně může fluorescenční barvivo emitovat záření. Emise vzhledem k disipaci energie během fáze rozrušeného pohybu má foton vyzařovaný barvivem nižší energii, tedy větší vlnovou délku. Tento rozdíl v hodnotách vlnových délek je známý jako Stokesův posun, který je z hlediska možné separace excitace a emise naprosto zásadní (umožňuje definovat výtěžek fluorescence). obr. 4-4 Schematický princip optické fluorescence [48] Před pozorováním je filtrem izolována vlnová délka emisního světla fluorescence a podle pozorované intenzity emisního světla je měřena tloušťka mazacího filmu. Vztah mezi intenzitou vyzařovaného světla a tloušťkou byl stanoven jako téměř lineární. [49, 50] [19]. 38

39 Při použití optické fluorescence dochází k nepřesnostem přirozeně vyplývajícím z optické podstaty metody: 1 Nerovnoměrné nasvícení kontaktu tvar šíření světla z rtuťové výbojky je do jisté míry kuželovitý. Matice intenzitních hodnot pozorované rovné vrstvy maziva má tedy maximální hodnoty poblíž středu pozorované oblasti a minimální hodnoty na krajích. Orientačně je na okrajích intenzita excitačního světla přibližně % intenzity ve středu pozorované oblasti. 2 Ztráta emisní intenzity v čase (vysvícení) mazivo ztrácí schopnost fluorescence a intenzita emise filmu s konstantní tloušťkou se při pozorování jednoho místa postupně zmenšuje. Podle podmínek může být rozdíl může zanedbatelný, ale může také nastat propad pozorovaných intenzitních hladin o desítky procent během několika minut. 3 Intenzita emise při nulové tloušťce oblasti s tloušťkou maziva blízkou nule jsou pozorovány s nenulovou intenzitní hladinou (obr. 4-5). To může být způsobeno světelným rozptylem pocházejícím z oblastí s větší tloušťkou maziva nebo nedokonalou izolací emise emisním filtrem. obr. 4-5 Intenzitní hladina emise ve vztahu k tloušťce filmu (vlevo), vznik světelné interference (vpravo) [51] 4 Interference světla vzniklá přechodem mezi prostředím maziva a skleněného disku. Tuto nepřesnost popsal Sugimura [52] při pozorování velmi tenkých filmů (30 nm) a projevuje se jako odchylka od lineární závislosti mezi intenzitou emise a tloušťkou filmu (obr. 4-5). Odchylka je výrazná při tloušťce filmu do 100 nm a její význam se postupně s rostoucí tloušťkou filmu ztrácí. 39

40 4.4 Kontaktní dvojice Pro experiment byl použit disk z borosilikátového skla (BK7). Disk je čistý, bez povrchového povlaku. Tloušťka disku je 12,6 mm a průměr 150 mm. Kulička je vyrobena z ložiskové oceli 100Cr6, průměr je 25,4 mm. V tabulce jsou uvedeny mechanické vlastnosti materiálů. tab. 4-1 Mechanické vlastnosti materiálů kontaktních těles Veličina Jednotka Ocel 100Cr6 Sklo BK7 Modul pružnosti v tahu GPa Poissonův poměr - 0,30 0, Maziva Zvolená maziva jsou standardně používána ve valivých ložiscích a také byla použita pro předchozí experimenty na ÚK. Jedná se o maziva s minerálními základovými oleji, jsou tedy schopné přirozené fluorescence (bez přidaných barviv). Jejich zahušťovadly jsou lithná mýdla tvořící strukturu s krátkými vlákny. Nejvýraznějším rozdílem mezi nimi je rozdílná viskozita. tab. 4-2 Parametry vybraných maziv Parametr Jednotka MOGUL LV-2-3 MOGUL LA 2 MOGUL LVT 2EP Teplotní rozsah použitelnosti C -30 až až až 120 Penetrace při 25 C 10-1 mm LNGI třída Bod skápnutí C Kinematická viskozita základového oleje 40 C mm 2 s Získání vzorků opotřebovaných maziv Získání opotřebovaného maziva proběhlo na ložiskových stanicích, kterými disponuje ÚK. Původním účelem pro tyto stanice bylo testování životnosti ložisek a mazání bylo prováděno cirkulovaným olejem. Provoz probíhá při 4000 RPM a je ložiska možno zatížit až 10 kn. 40

41 obr. 4-6 Ložisková stanice Použitá varianta ložiskových stanic je upravena pro provoz s ložisky Pro stárnutí byly použita nová ložiska, která byly nejdříve vymyta acetonem, aby došlo k odstranění původního maziva. V tab. 4-3 jsou vypsány parametry použitých ložisek ZKL tab. 4-3 Vybrané parametry ložiska ZKL 6208 Parametr Jednotka Hodnota Vnější průměr mm 80 Vnitřní průměr mm 40 Šířka mm 18 Základní dynamická únosnost kn Max. otáčky pro plastické mazivo min Pro odhad podmínek stárnutí byly použity podklady několika výrobců maziv a ložisek [53 55]. Orientační odhad času se pohyboval kolem hodin (6 12 týdnů). Provozní otáčky ovlivňují interval lubrikace nepřímo úměrně. Proto byla provedena úprava převodu otáček mezi motorem a hřídelí s testovanými ložisky otáčky ložiskových stanic byly zvýšeny z 4000 na 6100 RMP. 41

42 obr. 4-7 Jeden z použitých postupů odhadu času stárnutí maziva (ExxonMobil) [55] Druhým faktorem, který výrazně ovlivní dobu stárnutí maziva je provozní teplota. Standardní odhady lubrikačních intervalů předpokládají teploty do 70 C, přičemž každé zvýšení teploty o 2,5 10 C (podle výrobce) zkracuje interval lubrikace na polovinu. Zvolená maziva jsou použitelná do 120 C, teplota experimentu byla proto stanovena původně na C. tab. 4-4 Odhady lubrikačních intervalů podle různých podkladů Zdroj Předpokládaná teplota Lubrikační interval Poznámka Noria Corporation [54] C C 3 měsíce (cca 2200 hodin) 2 měsíce (cca 1440 hodin) při každém zvýšení o přibližně 10 C je interval zkrácen na polovinu ExxonMobil [55] C cca 1900 hodin SKF [53] 60 C 2400 hodin 70 C 1500 hodin 80 C 960 hodin nad 72 C je při každém zvýšení teploty o 2,8 C interval zkrácen na polovinu zatížení 4 kn otáčky 6100 s -1 42

43 V průběhu experimentu se ale ukázalo, že udržení takto vysokých teplot není možné z důvodu prudkých nepravidelných nárůstů teplot, které aktivují bezpečnostní okruh a vypnou zařízení. Experiment proto probíhal při průměrné teplotě 60 C a čas experimentu byl stanoven z důvodu časových limitací diplomové práce na 1000 hodin, což je alespoň polovina odhadovaného lubrikačního intervalu. 4.7 Extrakce stárnutého maziva z ložisek Dovršit plánovaný limit hodin provozu stárnutí maziv se povedlo pouze u maziva LV2-3. Další dva vzorky (LA-2 a LVT-2EP) nebyly schopny pokračovat v dalším provozu po překročení hranice 850 (resp. 900) hodin. U maziva LA-2 byl provoz ukončen po opakovaném překročení limitní hranice vibrací do minuty od opakovaného spuštění. V případě maziva LVT-2EP došlo k rychlému překročení limity vibrací pouze někdy v ostatních případech došlo k překročení maximální teploty do hodiny od spuštění. tab. 4-5 Stav stárnutého maziva na konci experimentu Mazivo Konečný stav Doba trvání LV2-3 dokončeno hodin LA-2 přerušeno vibrace 850 hodin LVT-2EP přerušeno vibrace, teplota 900 hodin Provoz byl tedy u všech tří stanic ukončen, stanice byly rozebrány a ložiska prozkoumány. Ve všech třech případech byly nalezeny uskupení maziva na bocích klecí (viz obr. 4-8). Zde se nacházela většina maziva a při extrakci bylo rozlišeno mezi mazivem nacházejícím se v obrysu ložiska a mimo něj. Toto rozdělení je později označováno jako vzorky IN (odebrány z obrysu ložiska) a OUT (odebrány mimo ložisko). Dále bylo rozlišováno, zda vzorky pocházejí z hlavního ložiska (zatěžovaného plnou silou 1F) nebo vedlejšího (0,5F). Pro každé mazivo byly tedy odebrány celkem 4 vzorky. 43

44 Ložiska s mazivem LV2-3 byly bez výrazné změny a mazivo se na první pohled nelišilo od nového. Mazivo LVT-2EP změnilo barvu do černa. Při promnutí malého množství mezi prsty byla zřejmá nehomogenita maziva, byly nalezeny drobné částice, nicméně nebylo možné bez důkladnějšího zkoumání určit důvod předčasného ukončení provozu. Po vymytí ložiska acetonem nebyly nalezeny žádné defekty vylučující normální provoz. Kontaminované mazivo ovšem bylo magnetické vzorek maziva byl nanesen na papír a zavěšen ve vzduchu, při přiblížení magnetu se papír začal vychylovat ze svislé polohy. Při nanesení nového, nestárnutého maziva byl papír vůči magnetu netečný. V případě maziva LA-2 byla pozorována výrazná kontaminace maziva hnědočerveným práškem, který byl později identifikován jako rez z distančního kroužku. Při extrakci byla věnována zvláštní snaha, aby nebyla odebrána i vnější povrchová vrstva maziva s nejvyšší úrovní kontaminace. obr. 4-8 Primární výskyt maziva v ložisku (vlevo) Ložisko po odstranění primární oblasti (LVT-2EP) (vpravo) Po odstranění výše popsané primární oblasti výskytu maziva byly provedeny pokusy o extrakci maziva přímo z dráhy kontaktu, popř. z klece ložiska. Tyto pokusy ale byly neúspěšné. I pokud by bylo provedeno vymytí ložiska acetonem, získané množství maziva by nebylo řádově dostatečné pro provedení měření. 4.8 Postup před experimentem Před provedením kalibračních měření je nutné zapnout lampu a alespoň půl hodiny ji nechat zahřívat, během této doby je totiž intenzita produkovaného světla velmi nestálá. Veškerá měření probíhají v černém stanu, který pozorování chrání před parazitním denním světlem. V přípravné fázi experimentu je nejprve pozorováno mazivo s konstantní tloušťkou 50 μm pomocí kalibračního sklíčka (obr. 4-9). Tím se získají data pro vytvoření matice pro kompenzaci nerovnoměrného nasvícení pozorované oblasti. 44

45 obr. 4-9 Schématické zobrazení kalibračního sklíčka Ze snímku statického kontaktu je ověřeno zatížení kontaktu porovnáním průměru pozorované Hertzovy oblasti a teoretického výpočtu: = =,,, = 0,174 mm (2) kde a je poloměr Hertzovy oblasti, F zatěžující síla, ν Poissonův poměr a E modul pružnosti v tahu materiálu prvního a druhého tělesa. Průměr kontaktních těles d se v případě druhého tělesa (disku) limitně blíží nekonečnu. Pozorovaný poloměr je cca 0,175 mm, zatížení kontaktu je tedy 40 N. Po provedené kalibraci je nutné nanést na celou dráhu disku konstantní vrstvu maziva. Pokud by tak nebylo provedeno, při zastavení kuličky v místech s rozdílnou tloušťkou naneseného maziva může dojít k odlišnému průběhu vtékání maziva do kontaktu. To je pro opakovatelnost a přesnost měření pochopitelně velmi nežádoucí. Jako poslední je před experimentem zaostřen mikroskop na kontakt. obr Stěrka použitá k rozetření maziva s přesnou tloušťkou 45

46 Nanesení maziva s konstantní tloušťkou na disk je provedeno stěrkou s ocelovým břitem (obr. 4-10). Tloušťka rozetřeného maziva je definována pomocí mikrometrů. Při ověření opakovatelnosti bylo rozetřené mazivo na několika místech disku pozorováno. Rozptyl tloušťky na různých místech v jednom měření při nanesené vrstvě maziva 50 μm byl vyhodnocen na 5,5 %. Rozptyl průměrných hodnot při opakovaném rozetření maziva vychází pod 2 %. Při roztírání tenčí vrstvy maziva docházelo ke zhoršení opakovatelnosti z důvodu nepřesného opětovného definování mezery mezi stěrkou a diskem pro vytvoření mezery 25 μm je třeba pootočit všechny tři hlavy mikrometrů o pouze Postup při měření Po provedení požadovaného počtu otáček disku probíhá pozorování. Kamera a záznamový software je připraven ke snímání a v rychlém sledu proběhne několik akcí: je otevřena clona a již zaostřená kamera je spuštěna. Ihned poté je dán pokyn k zastavení motorů, které tak učiní během jedné desetiny sekundy. Záznam obsahuje několik snímků zastavujícího kontaktu, které jsou během vyhodnocování odstraněny. Po ukončení pohybu dojde k rychlému vtékání vyloučeného oleje do těsné blízkosti kontaktu. Průběh prvních sekund je zaznamenán sérií snímků, pak je vytvořeno několik samostatných snímků v průběhu tří minut. Bohužel je nutné nejprve sérii snímků uložit na pevný disk počítače a až pak provádět další záznam. Ukládání vyžaduje 20s prodlevu mezi sérií snímků a jednotlivými snímky v pozdějších okamžicích zaplavování kontaktu. Pořídit celý několikaminutový záznam není možné z důvodu hardwarového omezení. Výstupem experimentu jsou soubory formátu.asc, kde každý soubor je matice reprezentující jeden snímek. V matici má každý pixel hodnotu vyjadřující hodnotu pozorované intenzity. Vyhodnocení souborů je prováděno v programu MatLab. Výstupem vyhodnocení je pozorovaná změna objemu maziva v okolí kontaktu a průběh zaplavování kontaktu. Tyto veličiny jsou porovnány mezi různými vzorky maziva Úpravy záznamu při vyhodnocování V podkapitole 4.3 byl zmíněn jeden z nedostatků při použití rtuťové výbojky jako excitační zdroj pozorovaná oblast je nasvícena nerovnoměrně. Rovná vrstva maziva nasvícená rtuťovou výbojkou se nejeví podle počtu pozorovaných hladin jako rovná. V průběhu měření byly proto pořizovány snímky rovné vrstvy maziva (obr. 4-11). Díky nim byla vytvořena kompenzační matice následujícím způsobem: 46

47 obr Snímek rovné vrstvy maziva K(x, y) = ( ) (, ) (3) kde K je kompenzační matice, MAX je maximální hodnota nalezená v matici a A je matice snímku rovné vrstvy maziva. Na obr je znázorněna ukázka řezu kontaktem ve směru dráhy před a po kompenzaci. Vidíme, že před kompenzací se dráha zdá nerovná, což je kompenzací částečně opraveno. Důležitější je ale oprava počtu pozorovaných hladin menisku, tvar dráhy slouží pouze pro kontrolu. obr Porovnání kompenzovaného a nekompenzovaného snímku Dalším řešeným problémem bylo propojení pozorované intenzitní hodnoty s reálnou tloušťkou maziva. Pomocí kalibračního sklíčka nebylo dosaženo uspokojivého výsledku, jak je zřejmé z obr K propojení pozorované intenzity a tloušťky maziva byl proto pro každé měření pozorován zaplavený kontakt. Tloušťka maziva je v takovém případě rovna prostoru mezi diskem a kuličkou. Celý pozorovaný obraz byl vynásoben jedním koeficientem tak, aby tloušťka maziva odpovídala prostoru mezi diskem a kuličkou. 47

48 obr Rozdíly v kalibraci kalibračním sklem (modrá) a kalibrací pomocí geometrie kontaktu (červená) Určení pozice Herzovy oblasti bylo provedeno poloautomatizovaným způsobem. Použitá metoda funguje na principu hledání kruhové oblasti s nejmenším objemem maziva. Na snímku je vybrána oblast s přibližnou pozicí středu kontaktu. Program pak prohledávanou oblast pixel po pixelu skenuje a hledá pozici s nejmenším objemem maziva v okolí. Tento postup se ukázal jako velmi efektivní a spolehlivý, ale každý snímek byl manuálně zkontrolován. Pokud střed nebyl určen správně (např. u silně kontaminovaných maziv), byla provedena manuální korekce. obr Pokles hladin během 3 minut pro mazivo LV2-3w Další problém zmíněný v podkapitole 4.3 je pokles pozorovaných hladin maziva v čase. Je třeba zodpovědět dvě otázky: 1. Je míra poklesu konstantní při různé tloušťce maziva? 2. Je míra poklesu konstantní v čase? Byl pozorován plně zaplavený kontakt pro každé mazivo. Pozorovaný pokles byl nejvýznamější u maziva LV2-3, změřené výsledky jsou zobrazeny na obr Oranžovými čárami je vykreslena geometrie kontaktu s dobře viditelnou Hertzovou oblastí. Modré čáry znázorňují poměr hladin pro daný bod mezi snímky v čase nula a v čase 3 minuty od otevření clony světla. Je zřejmé, že pozorovaný pokles je v celé tloušťce maziva konstantní. Lze také zodpovědět druhou otázku pozorovaný pokles hladin není konstantní v čase. Za první minutu nastal pokles hladin o více než 10 %, což je přibližně stejně jako v dalších dvou minutách dohromady. 48

49 Byly provedeny pokusy o vyčíslení poklesu hladin v čase pomocí kalibračního sklíčka. Ukázalo se ale, že takový postup není použitelný pro experiment. Rtuťová výbojka se při měřeních pohybovala na konci životnosti a excitační světlo bylo v řádu hodin nestálé dopoledne provedená měření poklesu hladin nebyla aplikovatelná na odpolední měření. Pro kompenzaci poklesu byl proto vypracován alternativní postup. Z obr je patrné, že pozorovaný pokles v Hertzově oblasti odpovídá přibližně poklesu ve zbývajících oblastech. Pozorování maziva probíhá po zastavení tribometru, tj. se statickým kontaktem. Pro každé měření byla proto sledován průměrný počet hladin v Hertzově kontaktu, který s uplynulým časem klesal. Poměrem počátečního a aktuálního počtu hladin byl pak snímek vynásoben. Rizikem je, že po zastavení kontaktu může dojít k vytlačení hydrodynamické vrstvy maziva z Hertzovy oblasti. Při porovnání záznamu je ale zřejmý pozitivní vliv kompenzace. Na obr a obr je zobrazena stejná data, přičemž jednou je kompenzace provedena a jednou ne. V případě provedené kompenzace je pozorovaná tloušťka maziva v jednom bodě menisku konstatní napříč časem, mění se pouze jeho rádius. obr Řezy ve směru dráhy kontaktu v čase t = s; bez kompenzace poklesu hladin obr Řezy ve směru dráhy kontaktu v čase t = s; s kompenzací poklesu hladin 49

50 5 VÝSLEDKY V následující kapitole budou popsány výsledky získané z experimentů na nových a starých mazivech. V příští podkapitole 5.1 jsou popsány verifikační experimenty provedené s novými mazivy, při nichž byla testována a odlaďována metoda, způsob vyhodnocování a postup zpracování získaných dat. Ve zbývajících podkapitolách je vyhodnocen experiment provedený na nových i starých mazivech. 5.1 Verifikační experiment Experiment byl proveden s novými mazivy a kamera byla nastavena s dlouhým expozičním časem 0,4 sekundy. Nebylo záměrem pozorovat události bezprostředně po zastavení, ale chování maziva v okolí kontaktu v horizontu několika desítek sekund. Cílem bylo zhodnotit opakovatelnost experimentu a také zjistit, zda existuje hranice počtu otáček disku, po jejímž překonání bude množství maziva vtékajícího do okolí kontaktu konstantní. V těchto otáčkách by byl záběh maziva považován za ukončený. Pro body s nižšími otáčkami (100, 200, 1000 ot.) byly provedeny dvě samostatná měření s nově nanesenou vrstvou maziva. V jednom z těchto dvou měření pak bylo okolí kontaktu pozorováno také při 4000 a otáčkách. V obou měřeních byly vždy při dosažení cílových otáček provedeny 3 pozorování oddělené přibližně 5 otáčkami. Poté bylo provedeno množství otáček zbývajících do dalšího měřeného bodu a proces byl opakován. Celkově byly tedy pro každé mazivo změřeny 3 datové body pro vyšší otáčky a 6 bodů pro otáčky nižší. obr. 5-1 Průběh růstu menisku během dvou minut po zastavení (0, 20 a 120 sekund) Na obr. 5-1 vidíme průběh jednoho pozorování ihned po zastavení se v okolí kontaktu nenachází téměř žádné mazivo, i když lze pozorovat postranní meniskus (vlevo). Mazivo velmi rychle vteče do dráhy a utvoří celistvý meniskus (uprostřed), který se zvětšuje. 50

51 obr. 5-2 Rozptyl průběhu růstu menisku v okolí kontaktu 1/2 Na obr. 5-2 a obr. 5-3 je zobrazeno vyhodnocení rozdílů růstu poloměru menisku v různých otáčkách pro mazivo LA-2. Byl vynechán graf po 200 otáčkách, protože vývoj i rozptyl je téměř stejný jako při 100 otáčkách. Pokud bylo k dispozici 6 datových bodů, byl průměr počítán ze 4 středních hodnot. Obecně lze prohlásit, že po menším množství otáček je rozptyl nízký (100 a 200 ot.), vyšší odchylky se začínají objevovat od 1000 otáček. Po stejném množství otáček se také v okolí kontaktu začínají nepravidelně objevovat útvary s vyloučeným olejem (obr. 5-4 žlutý kroužek vpravo), které se po zastavení ke kontaktu pomalu přibližují. Ve chvíli, kdy se spojí s meniskem, dodávají do okolí kontaktu velké množství maziva. Tyto útvary maziva jsou zřejmě důvodem vysokého rozptylu množství maziva vtečeného do menisku není konstantní a někdy ke spojení nemusí dojít. obr. 5-3 Rozptyl průběhu růstu menisku v okolí kontaktu 2/2 51

52 obr. 5-4 Porovnání okolí kontaktu po menším (200 ot.) a větším počtu otáček (4000 ot.), t = 1s Další změnou projevující se s vyššími otáčkami je zmizení jednoho pruhu maziva vyskytujícího se podél dráhy kontaktu (žluté šipky na obr. 5-4). Pruh přestává být pozorovatelný na vnitřní straně dráhy (blíže k ose rotace skleněného disku, na obr. 5-4 na pravé straně dráhy), ale vnější pruh je beze změny. Jedná se tedy pravděpodobně o vliv rotace disku. Odstředivé zrychlení působí na mazivo rozetřené na disku, na vnitřní straně dráhy mírně tlačí mazivo směrem do dráhy a naopak na vnější straně mazivo od dráhy mírně vytláčí. Tento jev naznačuje, že do kontaktu se pravděpodobně z vnitřní strany kontaktu neustále dostává nové mazivo. Je tedy nepravděpodobné, že bude možné po přiměřeném množství otáček pozorovat stabilní průběh tečení vyloučeného oleje do blízkého okolí kontaktu. To také potvrzuje porovnání průměrných průběhů vývoje menisku pro jednotlivé množství provedených otáček (obr. 5-4). Stabilizace průběhů růstu předpokládaná po překročení provedených otáček nenastává, rychlost růstu menisku se naopak zvyšuje. obr. 5-5 Vliv množství provedených otáček na průběh růstu menisku 52

53 Na základě výše popsaných zjištění byly upraveny podmínky experimentu pro pozorování rozdílů mezi chováním nového a stárnutého maziva. Protože stabilizace chování maziva v okolí kontaktu nenastává během množství otáček přiměřeného pro délku experimentu, pozorování bude probíhat od 10 do 1000 provedených otáček s logaritmickým rozložením provedených otáček pro pozorování. Protože s rostoucím množstvím provedených otáček se zvyšuje rozptyl pozorování, je nutné provést alespoň dvě samostatná měření a během každého měření alespoň tři pozorování pro každé množství otáček. Z těchto šesti měření pak budou vybrány čtyři střední hodnoty z kterých je vytvořen aritmetický průměr. Mezi pozorováními se také lišil tvar menisku a jeho poloměr se ukázal jako nevhodný způsob kvantifikace množství maziva v okolí kontaktu. Pro další měření byl proto skript pro vyhodnocení dat upraven tak, aby byl měřen přímo objem maziva v okolí kontaktu. Oblast (obr. 5-6) byla definována jako kruh s průměrem odpovídajícím šířce pásů maziva v okolí kontaktu (přibližně 1 mm) a pro všechny budoucí měření zůstala beze změny. obr. 5-6 Oblast, ve které je kvantifikován objem maziva, ukázka menisku s nekulatým obrysem v dráze V následujících podkapitolách ( ) jsou popisovány výsledky experimentů, při nichž byla znovu pozorována nová maziva a také stárnutá maziva získaná z ložiskových stanic. Při nich byla rychlost odvalování v prvních deseti provedených otáčkách 0,1 ms -1, pak byla zvýšena na 0,35 ms -1. Důvodem počáteční nízké rychlosti byly limitace měřící aparatury u pohonů je možné nastavit pouze rychlost, nikoliv přesný počet otáček k provedení. Prvních deset otáček bylo proto odpočítáno, zbývající měřené úseky byly určovány podle uplynulého času. 53

54 Je velmi pravděpodobné, že chování maziva se liší při nízké a vysoké valivé rychlosti. Při nízkém počtu otáček ale dochází s každým průjezdem kuličky v mazivu k velkým změnám. Případné odchylky vzniklé z důvodu rozdílného množství provedených otáček mezi měřeními by byly velmi významné. Pokud by byla valivá rychlost v nízkých otáčkách vysoká, riziko nepřesného zastavení vysoce stoupá. Pro všechny měřené vzorky byl výše popsaný postup proveden stejně. Lze také říci, že existuje jistá míra podobnosti s postupem doporučovaným při záběhu plastického maziva v ložiscích při spuštění je doporučována malá rychlost, která je postupně navyšována. 5.2 Vliv počtu otáček disku na objem V následujících kapitolách budou porovnávány výsledky nových a stárnutých maziv. Stárnutá maziva budou rozlišována podle systému v tab. 5-1 a tab. 5-2: tab. 5-1 Rozdělení vzorků stárnutého maziva podle bodu extrakce Popisek 1F IN 1F OUT Původ vzorku Vnitřní vrstva maziva z hlavního ložiska Vnější vrstva maziva z hlavního ložiska 0,5F IN Vnitřní vrstva maziva z vedlejšího ložiska 0,5F OUT Vnější vrstva maziva z vedlejšího ložiska tab. 5-2 Rozdělení vzorků stárnutého maziva podle stavu Mazivo Popisek Kontaminované Poškozené LV2-3 1F IN Ne Ne 1F OUT Ne Ne 0,5F IN Ne Ne 0,5F OUT Ne Ne LA-2 1F IN Ano Ano 1F OUT Ano Ne 0,5F IN Ano Ne 0,5F OUT Ano Ne LVT2EP 1F IN Ano Ano 1F OUT Ano Ne 0,5F IN Ano Ne 0,5F OUT Ano Ne 54

55 5.2.1 Nová maziva Prvním zkoumaným parametrem bylo individuální chování maziv změna objemu maziva v okolí kontaktu v závislosti na počtu provedených otáček od nanesení maziva na disk. Pro maziva LV2-3 (obr. 5-7 vlevo) a LVT2EP nebyla pozorována změna objemu s výjimkou 10 provedených otáček, při kterých se v okolí kontaktu nacházelo podstatně více maziva. obr. 5-7 Závislost pozorovaného objemu na počtu provedených otáček disku u LV2-3 a LA-2 Rozměry pozorovaných menisků se ale výrazně neliší, příčinou velkého množství maziva v nižších otáčkách je vyšší tloušťka maziva v dráze a v kontaktu. Nejpravděpodobnějším vysvětlením je přítomnost vysoké koncentrace zahušťovadla, které slouží jako fyzická bariéra mezi kuličkou a diskem a udržuje tak vyšší tloušťku mazivového filmu po zastavení. Ani jeden z těchto trendů ale nebyl pozorován u maziva LA-2 (obr. 5-7 vpravo). Objem pozorovaného maziva s rostoucím počtem otáček nevykazuje žádný zřejmý řád. Tloušťka maziva v dráze a v kontaktu s rostoucím počtem otáček sice klesla, ale jen velmi nepatrně Stárnutá maziva Nejvýznamnějším pozorovaným jevem je, velmi nízký rozptyl pozorovaných objemů u všech stárnutých vzorků LV2-3 (obr. 5-8 vlevo) stejně jako u nového maziva. Na rozdíl od nového maziva byl ale objem pozorovaný při nízkém počtu provedených otáček vyšší pouze u vzorku z vnější vrstvy (OUT) vedlejšího ložiska (0,5F), tedy v místě, kde je nejpravděpodobnější nejmenší opotřebování maziva a tím i největší shoda s novým mazivem. 55

56 obr. 5-8 LV2-3 z vnější vrstvy (OUT) hlavního (1F) ložiska, LA-2 z vnější vrstvy hlavního ložiska U zbývajících dvou druhů stárnutých maziv byl vývoj objemu s rostoucími otáčkami náhodný. Ve většině případů byl pozorován mírný rozptyl počátečního objemu maziva, přičemž množství maziva vtečeného do okolí s rostoucími otáčkami mírně stoupalo (obr. 5-8 vpravo). V několika případech ale objem s rostoucími otáčkami nestoupal. Pokles objemu byl pozorován pro maziva z vnitřní vrstvy hlavních ložisek (1F IN), tedy vzorky, u kterých se předpokládá, že jsou důvodem předčasného ukončení provozu. Zároveň byl ale pokles počátečního i vtečeného objemu maziva pozorován také např. u vzorku LVT2EP z vnější vrstvy vedlejšího ložiska (0,5F OUT), tedy u vzorku, kde žádné poškození maziva není předpokládáno. 5.3 Vliv viskozity Mazivo zaplavující kontakt se při pozorování chová jako kapalina, což je v souladu s poznatky popsanými v kap z plastického maziva je vlivem vibrací aj. uvolňován vyloučený olej, který vtéká do okolí dráhy kontaktu a tvoří hlavní složku mazacího filmu. Rozdílná viskozita základových olejů se tedy jeví jako nejjednodušší vysvětlení rozdílných objemů pozorovaných mezi různými druhy maziv. Pokud by viskozita měla zásadní vliv, dal by se předpokládat růst pozorovaného objemu vzestupně od LV2-3, LA-2 po LVT2EP (50, 130 a 200 mm 2 s -1 resp.). Takový průběh existuje při porovnání objemů maziva u kontaktu při zastavení (obr. 5-9 vlevo). Rozdíly ale nejsou výrazné a není ale jisté zda se jedná o vliv viskozity nebo např. typu zahušťovadla. Množství maziva vtečeného do okolí kontaktu již ale tento trend nesleduje. 56

57 obr. 5-9 Nová maziva 1000 otáček vlevo, stará maziva vpravo Pro stará maziva není možné najít závislost objemu na viskozitě. Na obr. 5-9 vpravo vidíme jediný případ, kdy objemy různých maziv ze stejné pozice v ložisku korelují s rozdílnými viskozitami. U ostatních starých vzorků nelze podobný jev pozorovat v počátečních objemech ani v množství maziva vtečeného do kontaktu. U nových maziv byl nalezen potenciální vliv viskozity na tvar a tvorbu rezervoárů maziva ve vzdáleném okolí kontaktu během záběhu. Platí, že s rostoucí viskozitou se vyloučený olej sdružuje do stále větších útvarů, i když se výrazně nemění celkový objem maziva ve vzdáleném okolí kontaktu. Nelze ale prokázat souvislost s viskozitou, jev může být způsoben jinými faktory (např. struktura zpevňovadla). Při vyšším počtu provedených otáček fenomén mizí a vyloučený olej se v okolí kontaktu pro všechna maziva soustřeďuje podobně jako na obr Pro stará maziva není podobný fenomén pozorován (obr. 5-11), tvar uskupení vyloučeného oleje je podobný pro většinu vzorků s výjimkou poškozených a případné rozdíly se zdají být náhodné. obr Rozdílné tvary rezervoárů oleje v 10 otáčkách 180 sekund po zastavení (zleva LV2-3, LA-2, LVT2EP) 57

58 obr Stárnutá maziva 0,5F OUT (zleva LV2-3, LA-2, LVT2EP) 5.4 Vliv provozního zatížení ložiska Dalším parametrem, který může ovlivňovat chování stárnutého maziva v okolí kontaktu je provozní zatížení, kterým jsou ložiska během chodu zatížena. Předpokládá se zde nepřímá úměra mezi zatížením a životností maziva, pro podmínky v tab. 4-4 kalkulačka společnosti SKF [53] při polovičním zatížení navrhuje dvojnásobnou dobu lubrikačního intervalu v porovnání s plným zatížením. Můžeme tedy předpokládat, že různé provozní zatížení ložiska se může projevit i v rozdílném objemu maziva nacházejícího se v okolí kontaktu. obr Rozdíl v pozorovaném objemu u vnitřní vrstvy hlavního a vedlejšího ložiska 58

59 Na obr vlevo vidíme vzorky maziva LA-2 z vnitřní vrstvy hlavního a vedlejšího ložiska. Objem maziva pozorovaný ve vzorku z hlavního ložiska je značně menší, stejně tak množství maziva, které do okolí kontaktu vteklo. Téměř totožný průběh byl pozorován také u maziva LVT2EP. Tyto dva vzorky byly příčinou předčasného ukončení provozu ložiskových stanic a v obou případech se jedná o vzorky, na které působilo plné zatížení. Není však jasné, zda vyšší provozní zatížení přímo ovlivňuje chování maziva a je tím pádem příčinou poklesu pozorovaného objemu. Vliv provozního zatížení nelze naopak pozorovat u nekontaminovaného maziva LV2-3 (obr vpravo), vzorky jsou téměř zaměnitelné a pozorované objemy se nijak neodlišují. Je proto velmi pravděpodobné, že rozdíly objemů pozorované u stárnutých maziv LA-2 a LVT2EP nejsou přímo způsobeny různým zatížením ložisek během provozu, ale jinými faktory, které zřejmě se zatížením souvisí. 5.5 Vliv kontaminace V předchozí podkapitole (5.3) byl prozkoumán vliv provozního zatížení na změnu pozorovaného objemu maziva. Cílem bylo zejména vysvětlit důvod nízkého objemu maziva u poškozených vzorků. Další vliv, který byl za tímto účelem zkoumán, je míra kontaminace maziva. V tab. 5-3 je popis kontaminace jednotlivých vzorků. tab. 5-3 Kontaminace vzorků Mazivo Popis kontaminace Pravděpodobná příčina LV2-3 Významně nekontaminováno - LA-2 Viditelná zrakem Rez z distančního kroužku LVT-2EP Pozorovatelná mikroskopem Kovové částice Vliv závažnosti kontaminace Analýza kontaminace byla provedena za pomoci optického mikroskopu Keyence VHX- 650E [56]. Pod mikroskop bylo vloženo kalibrační sklíčko s 50μm tloušťkou maziva, velikost vyhodnocované oblasti se pohybovala mezi 5 9 mm 2. Na obr vidíme část oblasti vyhodnocované pro vzorek s nejmenším pozorovaným objemem v okolí kontaktu (LVT2EP 1F IN). Vpravo je na obrázku stejná oblast se zvýrazněnými útvary vyhodnocenými jako kontaminace. 59

60 obr Vzorek s největší pozorovanou kontaminací (LVT2EP 1F IN) Postup při vyhodnocování vzorků maziv LVT2EP a LV2-3 byl poměrně přímočarý. Jako komplikované se ale ukázalo vyhodnocování vzorků LA-2. Nejedná se totiž o typickou kontaminaci výraznými částicemi jako v případě LVT2EP, místo toho je v celém objemu rozptýlený velmi jemný oranžový prach (obr. 5-14). K vyhodnocení byla proto použita alternativní, jednoduchá metoda. Ze snímků byly separovány všechny pixely světle hnědého odstínu (obr. 5-15), poměr separovaných a všech pixelů byl vyhodnocen jako míra kontaminace. obr Nejméně kontaminované LA-2 0,5F IN vlevo, nejvíce kontaminované LA-2 1F IN vpravo obr Zvýrazněná kontaminace: LA-2 0,5F IN vlevo, LA-2 1F IN vpravo, 60

61 Na obr se nachází vyhodnocení závislosti míry kontaminace vzorků a pozorovaného objemu po 1000 otáčkách. Vlevo se nachází míra kontaminace kovovými částicemi, které se nacházely především v mazivu LVT2EP. Je zřejmá vysoká míra korelace a zdá se, že se jedná o vedoucí vliv rozdílného množství pozorovaného objemu maziva. Ve vzorcích maziva LV2-3 byla nalezena velmi malá úroveň kontaminace ( 0,2 0,8 pozorované oblasti), která nijak nesouvisí s pozorovaným rozptylem objemů (R 2 = 0,0591). obr Vliv kontaminace na pozorovaný objem maziva (vlevo výskyt kovových pilin, vpravo kontaminace rzí) Mazivo LA-2 obsahovalo také jisté množství kovových částic, ale změna objemu s ní souvisí jen velmi volně. Analýza výběrem světle hnědých pixelů (obr vpravo) ukazuje ale podobně vysokou míru korelace, stejně jako v případě maziva LVT2EP a kontaminací kovovými částicemi Vizuální analýza obr Srovnání nového a 1F IN maziva LVT2EP (1000 ot.) Na obr vidíme srovnání nového maziva LVT2EP a vzorku s nejvyšší naměřenou kontaminací (z vnitřní vrstvy hlavního ložiska). Kontaminace je zřejmá na první pohled a nachází se i v mazivu, které se aktivně podílí na tvorbě mazacího filmu. 61

62 Na obr je pak k vidění srovnání stejné situace pro mazivo LA-2, které bylo kontaminováno rzí. Zajímavé je zejména, že ani v dalekém okolí kontaktu není pozorována větší tloušťka maziva, což je velmi nezvyklé. Důvodem může být změna chování maziva po smíšení se rzí. Druhým možným vysvětlením by pak mohla změna být změna pozorovatelnosti maziva fluorescencí. Je možné, že kontaminace se v mazivu chová jako světelný filtr a propouští pouze omezené množství emisí, popř. že mění schopnost maziva vytvářet emisi (působí jako inhibitor fluorescence). obr Srovnání nového a 1F IN maziva LA-2 (1000 ot.) 5.6 Pohyb maziva v ložisku Pohyb maziva v ložisku během záběhu je dobře zdokumentovaným jevem (např. [4]). Zajímavou otázkou ale je, zda k pohybu maziva dochází také během fáze vylučování oleje. Podílí se na mazání pouze omezené množství maziva z rezervoárů, které jsou od konce záběhu v blízkosti kontaktu, nebo v ložisku dochází k cirkulaci a mazivo v blízkosti kontaktu je postupně doplňováno z celého ložiska? Ve snaze odpovědět na tuto otázku byly prozkoumány tři různé parametry blíže popsané v následujících podkapitolách Rozdíl pozorovaného objemu ve vnitřní a vnější vrstvě Pokud by docházelo k cirkulaci maziva, pak by mazivo z vnější a vnitřní vrstvy maziva mělo mít zaměnitelné vlastnosti. První takovou vlastností byl pozorovaný objem. V případě maziva LV2-3 je počáteční stav i vývoj objemu pro vzorky z vnější a vnitřní vrstvy hlavního ložiska zaměnitelný, stejně tak ale není vidět rozdíl při porovnání s novým mazivem (obr vlevo). 62

63 obr Porovnání nového maziva se vzorky z hlavního ložiska (LV2-3 vlevo, LVT2EP vpravo) U dalších dvou maziv se situace mění vnější a vnitřní vrstva se významně liší. U poškozeného vzorku LVT2EP 1F (obr vpravo) se pozorovaný objem starého maziva a nového maziva liší. Stejně tak je ale výrazný rozdíl mezi objemem vnitřní a vnější vrstvy maziva. Na obr jsou zobrazeny pozorované objemy vzorků LA-2 a LVT2EP z vedlejších ložisek. Pro obě maziva platí, že mezi vzorky z vnější a vnitřní vrsty existují výrazné rozdíly v počátečním i konečném objemu maziva,. Tento rozdíl je dokonce výraznější než rozdíl mezi stárnutými vzorky a novým mazivem. Obecně se dá říci, že nebyla u žádného vzorku pozorována shoda vnitřní a vnější vrstvy maziva, s výjimkou maziva LV2-3. U maziva LV2-3 byl ale stejný objem pozorován i u nového maziva. obr Porovnání nového maziva se vzorky z vedlejšího ložiska (LA-2 vlevo, LVT2EP vpravo) 63

64 5.6.2 Rozdíly v kontaminaci vzorků V tab. 5-4 se nachází míra kontaminace ocelovými částicemi pozorovaná u maziv LV2-3 a LVT2EP. Pro mazivo LV2-3 platí, že kontaminace pozorovaná ve vnitřní vrstvě je vyšší, než kontaminace pozorovaná ve vrstvě vnější. Ve vnější vrstvě je ale omezená míra kontaminace pozorována také. Pro mazivo LVT2EP platí v hlavním ložisku stejný trend vnitřní vrstva je více kontaminovaná, vnější vrstva ale není čistá. Zajímavé je rozložení kontaminace ve vedlejším ložisku pozorovaná kontaminace je vyšší ve vnější vrstvě. tab. 5-4 Kontaminace maziv ocelovými částicemi Mazivo LV2-3 LVT2EP Pozice 1F IN 1F OUT 0,5F IN 0,5F OUT 1F IN 1F OUT 0,5F IN 0,5F OUT Míra kontaminace [ ] 0,84 0,2 0,33 0,24 39,22 25,91 6,42 16,59 Pro mazivo LV2-3 je pravděpodobné, že kontaminace je dlouhodobým, pozvolným jevem. Pravděpodobnějším vysvětlením kontaminace nalezené ve vnějších vrstvách maziva jsou provozní vibrace, které by způsobily difuzi ocelových částic do celého uskupení maziva Rozdíly v chování maziva Na obr vidíme srovnání vnitřní a vnější vrstvy z vedlejšího ložiska LA-2 v deseti otáčkách. Výrazně se liší způsob formování maziva ve vzdáleném okolí kontaktu. Zatímco mazivo z vnitřní vrstvy vtéká ke kontaktu z velkých útvarů po stranách, mazivo z vnější vrstvy se chová stejně jako nové mazivo po 100 a více otáčkách (např. obr. 5-18, obr. 5-6). Tento jev je pozorován v deseti otáčkách pro všechna maziva z vedlejších ložisek (0,5F). Mazivo LV2-3 se od 100 otáček stabilizuje a chování je stejné jak pro nové mazivo tak pro vnitřní i vnější vrstvu. U maziv LA-2 a LVT2EP ale pozorovaný rozdíl v chování vnitřní a vnější vrstvy přetrvává v 100, 200 a otáčkách (obr. 5-22). Vnější vrstva se chováním podobá novému mazivu, vnitřní vrstva se chová rozdílně. Částečnou výjimkou je jedna ze dvou sad měření (celkem tři případy) pro LVT2EP mezi 200 a 1000 otáčkami se přestal vyskytovat jeden ze dvou útvarů maziva, zbývající mazivo se ale chovalo předpokládaným způsobem (obr. 5-23). 64

65 obr LA-2 0,5F vnitřní (vlevo) a vnější (vpravo) vrstva, 10 otáček obr LVT2EP 0,5F vnitřní (vlevo) a vnější (vpravo) vrstva, 1000 otáček obr Výjimka LVT2EP 0,5F IN 200 otáček vlevo a 1000 otáček vpravo (zmizení jednoho útvaru maziva) 65

66 6 DISKUZE 6.1 Limitace optické fluorescence Významná část výsledků (s výjimkou analýzy kontaminace) byla měřena metodou optické fluorescence, kterou implicitně provází nejrůznější komplikace. Byla vyvinuta značná snaha o odstranění většiny z nich podrobněji je problematika rozebírána v kap I přes veškerou snahu ale byl identifikován problém, jež se nepodařilo odstranit. Komplikací nad rámec této diplomové práce je výskyt kontaminujících částic v mazivu. Problém byl identifikován ve dvou rozdílných situacích. První z nich je částečně nastíněna v kap : Při silné kontaminaci dochází k velmi netypickému chování od určité tloušťky maziva se počet pozorovaných hladin stabilizuje, a to i v místech kde se nachází meniskus a podle geometrie by měl probíhat růst pozorovaných hladin. Jev je znázorněn na obr. 6-1 v horizontálním řezu meniskem (0,35 0,55 mm od středu). Jedná se pravděpodobně o: 1. Optický jev kontaminant se chová jako clona, kde propustnost klesá s tloušťkou maziva a od určité tloušťky (v případě LA-2 přibližně 4 μm) je již pozorované emisní světlo statické neroste s tloušťkou. 2. Fyzikální jev tzv. quenching zhášení. Jednou z pravděpodobných příčin je chrom, který tvoří až 1,6 % hmotnosti ložiskové oceli. V tomto případě by se kontaminant choval jako inhibitor fluorescence a svou přítomností by znemožňoval molekulám maziva vytvářet emisi. Tento jev je v netribologických aplikacích fluorescence velmi dobře znám a s použitím různých fluorescenčních markerů je používán pro měření koncentrace chromu ve vodě [57, 58]. Tuto hypotézu podporuje v případě maziva LVT2EP také fakt, že se pozorované mazivo ve vzdáleném okolí kontaktu zobrazuje standardně, ale v menisku, který by měl mít větší tloušťku maziva než okolí, jsou pozorované hladiny menší a konstantní (obr. 6-1). Meniskus je také nejvíce mechanicky ovlivňovánou oblastí, čímž může docházet k důkladnému promíchávání kontaminantů do maziva a nejvýraznějšímu projevu. Pro malé tloušťky maziva nacházející se v blízkém okolí kontaktu je linearita hladin a tloušťky zachována pozorovaný průběh hladin zhruba odpovídá geometrii menisku. Pozorované hladiny je také možné správně propojit díky použité metodě kalibrace tloušťky, která je prováděna pro každé měření individuálně a nezávisí na absolutní hodnotě hladin, ale na pozorovaném tvaru. 66

67 obr. 6-1 Pozorované hladiny v silně kontaminovaném mazivu (LVT2EP 1F IN 1000 ot.) Druhá situace s nefluorescenčními částicemi v mazivu byla pozorována u přibližně poloviny měření, většinou byl ale jev zanedbatelný. Vrstevnice tloušťky maziva v menisku nebyly vždy kulaté, jak by se dalo očekávat, ale mírně protáhlé ve směru dráhy. Příčinou jsou pravděpodobně částice zahušťovadla, které se nachází v dráze kontaktu. Neemitují emisní záření chovají se jako neviditelný objem a počet pozorovaných hladin je proto v dané oblasti menší. Nejvýraznější případ je k vidění na obr obr. 6-2 Nesymetricita pozorovaných hladin v menisku (gradient zvolen pro zvýraznění problému) 67

68 6.2 Nepřesnost analýzy kontaminace I když existují lepší metody analýzy kontaminace maziva kovovými částicemi (např. spektrometr, popř. odfiltrování částic a porovnání změny hmotností), použitá metoda (sčítání oblastí s vyšším jasem než má zbytek obrazu) je dostupná a neničí vzorky stárnutého maziva. Byly podniknuty kroky sloužící ke zvýšení spolehlivosti homogenizace maziva před analýzou, pozorování vždy stejné tloušťky maziva, použití stejného thresholdu pro rozpoznávání částic apod. Podstatně méně vhodná je ale metoda analýzy kontaminace maziva LA-2 oxidy železa (sčítání oblastí s podobnou barvou). Výsledky této analýzy by měly být vnímány pouze jako orientační, v žádném případě podpůrné. Důvodem vysoké korelace je zřejmě z velké části uskupení dat do dvou skupin dva vzorky z hlavního ložiska jsou silně kontaminované s malým pozorovaným objemem, zatímco dva vzorky z vedlejšího ložiska jsou kontaminovány slabě s velkým pozorovaným objemem. Nejedná se tedy o proložení 4 datových bodů přímkou, ale spíše o spojení dvou datových uskupení. 6.3 Vliv stáří maziva Byly pozorovány dvě kategorie stárnutého maziva: 1. maziva LA-2 a LVT2EP z ložiskových stanic neschopných dalšího provozu (kontaminovaná maziva) 2. nepoškozené mazivo LV2-3 nacházející se v % odhadované doby relubrikačního intervalu U poškozených maziv nejsou pozorované změny zjevně způsobeny přímo stářím maziva. V případě nepoškozeného maziva LV2-3 byly pozorované rozdíly v objemu maziva nevýrazné v porovnání s rozptylem výsledků pro jednotlivá měření. Nebyl pozorován rozdíl v objemu maziva v okolí kontaktu pro nové a staré mazivo (obr. 6-3). V grafu je také promítnut rozpyl měření nového maziva. Po provedení záběhu (> 100 provedených otáček) nebyl pozorován žádný rozdíl v chování nového a starého maziva LV2-3 při vizuálním prozkoumání záznamů. Rozdílné chování nového a starého maziva bylo pozorovnáno v nízkých otáčkách, ale pouze ve vnitřní vrstvě vedlejšího ložiska. Jedná se pravděpodobně o vliv mechanické degradace maziva vlivem provozních vibrací a teploty dochází k narušení struktury zahušťovadla a mazivo mění chování. Tento jev je předmětem nedávného zkoumání a existuje názor, že mírou degradace maziva lze předpovídat chování maziva. [59 61] Chování maziva z hlavního ložiska bylo ale zaměnitelné s chováním nového maziva, což je v rozporu s předloženou hypotézou pozorovatelné degradace. 68

69 Pro mazivo LV2-3 lze tedy říci, že stáří maziva samotné nehraje po velkou část životnosti maziva roli a v okolí kontaktu se ho nachází dostatečné množství, srovnatelné s novým mazivem. Je nutné poznamenat, že výsledky jsou čerpány pouze ze tří ložisek s jedním druhem maziva s lithným mýdlem. Není jasné zda lze prohlášení aplikovat také na jiné druhy maziv. Doba provozu ložisek je ale iniciátorem působení mnoha dalších procesů, které způsobují selhání maziva v ložisku (např. opotřebování ložiska a následná kontaminace maziva). obr. 6-3 Rozptyl měření pro nepoškozené mazivo LV Vliv provozního zatížení a kontaminace K dispozici byly vzorky s plným a polovičním provozním zatížením. Vliv zatížení lze interpretovat dvěma způsoby: v prvním případě se jedná o nepřímý vliv v tomto případě dochází k většímu namáhání ložiska, které může kontaminovat mazivo ocelovými částicemi rychleji, než pokud by provozní zatížení bylo menší. Postupně se zvyšující míra kontaminace maziva ocelovými částicemi během provozu je dobře známý jev pozorovaný např. Lundbergem [45] (v citovaném případě mazivo z ložisek železničních vagonů obsahovalo o cca 50% více ocelových částic při dvojnásobném počtu kilometrů v provozu). Druhou variantou vlivu zatížení je přímé působení: mazivový film přenáší mezi elementy ložiska vyšší zatížení, je více mechanicky namáhán a mazivo rychleji degraduje. 69

70 obr. 6-4 Rozptyl měření pro mazivo LVT2EP Přímý vliv je možné zkoumat pouze v případě slabě kontaminovaného maziva LV2-3. Předpokládaný rozdíl objemů maziva pro hlavní a vedlejší ložisko ale nebyl pozorován (obr. 6-3) přímý vliv zatížení není zřejmý pro mazivo nacházející se v % životnosti. Nepřímý vliv zatížení byl ověřen analýzou kontaminace vzorků. U maziva LV2-3 byla nalezena v hlavním ložisku kontaminace přibližně 2,5x větší, než v ložisku vedlejším. Zároveň byla ale úroveň kontaminace natolik nevýrazná, že se tento rozdíl neprojevil při pozorování objemu maziva. V mazivu LVT2EP byla pozorovaná kontaminace vyšší v hlavním ložisku a nižší v ložisku vedlejším, což je v souladu s předpokladem nepřímého vlivu zatížení. Zajímavá nepravidelnost je nalezena u vedlejšího ložiska, kde je kontaminace vyšší ve vnější vrstvě maziva. Toto je velmi neintuitivní a věrohodných vysvětlení mnoho není. Prvním nepravděpodobným vysvětlením je, že velká část kontaminace vnějšího ložiska je způsobena externě do maziva by se dostala z ložiska hlavního. Podle druhého zvažovaného vysvětlení by byla vrstva maziva kontaminována ve vedlejším ložisku během poměrně krátké doby. Poté by se kontaminované mazivo obměnilo s čerstvým mazivem a zůstalo ve vnější vrstvě. To by ale není ve shodě s ostatními výsledky: s podkapitolou 6.5 Pohyb maziva v ložisku, a také s poznatkem, že kontaminace je proces probíhající pozvolna během celé životnosti ložiska (Lundberg, [45]). 70

71 obr. 6-5 LVT2EP seřazené podle vzrůstající kontaminace a) 0,5F IN, b) 0,5F OUT, c) 1F OUT, d) 1F IN Byla nalezena vysoká míra korelace mezi kontaminací a pozorovaným objemem maziva (obr. 6-4: R 2 = 0,96 pro průměrné hodnoty a R 2 = 0,76 pro hodnoty všech měření). Míra kontaminace maziva se zdá být hlavním faktorem ovlivňujícím schopnost maziva vtékat do kontaktu. Tento poznatek je konzistentní v obou typech pozorované kontaminace, i když v případě kontaminace oxidy železa je potřeba brát výsledky s rezervou (viz kap. 6.2). V kap. 6.1 je také diskutován vliv kontaminace na samotnou pozorovací metodu. Je možné, že s rostoucí kontaminací není pozorovaný klesající objem, ale klesající schopnost maziva vytvářet emisi? Z části zřejmě ano, ale pouze v malé míře. Za prvé, použitá metoda kalibrace tloušťky maziva je tomuto jevu do určité míry odolná absolutní hodnoty pozorovaných hladin nehrají roli, kalibrace je prováděna podle pozorované geometrie. Za druhé, korelaci mezi kontaminací a objemem maziva v okolí kontaktu lze pozorovat také na velikosti menisků. Na obr. 6-5 jsou snímky vzorků maziva LVT2EP seřazené vzestupně podle kontaminace. Pokles množství maziva v okolí kontaktu (vnější žlutý kruh) je zřejmý na první pohled i z tvarů a rozměrů menisku. 71

72 Není známý přesný mechanismus, kterým by kontaminace měla vliv na množství maziva u kontaktu. Nabízí se několik hypotéz: Kontaminační částice zamíchané v mazivu mění jeho reologické vlastnosti, nejpravděpodobněji viskozitu. Je popsán podobný jev kontaminace sazemi mění viskozitu motorového oleje v dieselových motorech [62]. Absolutní velikost částic sazí se pohybuje od nm [63], zatímco částice pozorované v mazivu mají rozměr 1 5 µm nebo větší. Vzhledem k metodě analýzy je ale pravděpodobné, že menší částice nebyly při analýze detekovány. K tomu by musela být použita spektrální analýza. Byla také nalezena technická zpráva [64], ve které je pozorována vysoká korelace mezi kontaminací a měřenou viskozitou oleje v převodovce (obr. 6-6). Tuto hypotézu podporuje také fakt, že na obr. 6-5 nelze pozorovat změnu velikosti postranních rezervoárů (mimo oblast žlutých kruhů), pouze změnu v množství maziva vtečeného přímo do kontaktu. obr. 6-6 Pozorovaný vztah mezi viskozitou oleje a kontaminací [64] Další hypotézou vysvětlující potenciální vliv kontaminace na chování maziva je změna mechanismu vylučování oleje ze zahušťovadla. Lithné mýdlo je polární a je známa jeho nekompatibilita s vybranými aditivy. Lze si tedy představit situaci, kdy kontaminace maziva kovovými částicemi způsobí změnu chování zahušťovadla, buď chemickou nebo mechanickou. Pro tuto hypotézu ale nebyly nalezeny žádné podpůrné důkazy a lze ji zřejmě zavrhnout. Je také možné, že vztah kontaminace a objemu maziva popsaný v této podkapitole je pouze korelací, nikoliv kauzalitou. V tom případě pravděpodobně existuje vliv, který v této práci nebyl odhalen a je příčinou jak kontaminace, tak i chování maziva. Vztah kontaminace a objemu maziva byl ale konzistentní, i když se jiné podmínky lišily např. u vnější vrstvy vedlejšího ložiska bylo pozorováno více maziva než u vrstvy vnitřní, ale u hlavního ložiska je tomu naopak (obr. 6-4). 72

73 6.5 Pohyb maziva v ložisku Byla zkoumána otázka, zda se mazivo během provozu v ložisku pohybuje, či zda setrvá od záběhu na jednom místě. Pohybem rozumíme v tomto případě konstantní proces, který se odehrává po celou dobu provozu. Pro zodpovězení otázky byly zanalyzovány tři kategorie výsledků pozorovaný objem maziva, analýza kontaminace a vizuální analýza snímků vzorků z vedlejších ložisek. Pro mazivo LV2-3, nebyly pozorovány žádné rozdíly v chování a množství maziva. Při analýze kontaminace byl objeven výrazný rozdíl mezi vnitřními a vnějšími vrstvami maziva, což naznačuje, že se v ložisku mazivo nepohybuje ani velmi pomalu. Kontaminace maziva je dlouhodobý, pozvolný proces a případný pohyb maziva by vyrovnal míru kontaminace v celém ložisku. Pro stárnutá maziva LA-2 a LVT2EP byl mezi vrstvami pozorován výrazný rozdíl v kontaminaci, pozorovaném objemu a v chování maziva. Rozdíly v pozorovaném objemu jsou konzistentní s mírou kontaminace maziva a pro vnitřní a vnější vrstvy se liší. obr. 6-7 LVT2EP 0,5F OUT (vlevo) a IN (vpravo), 100 ot., první snímek po zastavení Nejsilnější důkaz svědčící proti hypotéze pohybu maziva v ložisku byl nalezen při vizuálním prozkoumání snímků vzorků z vedlejších ložisek 0,5F. Pro maziva LVT2EP a LA-2 byly nalezeny dva různé způsoby toku maziva do blízkého okolí kontaktu, přičemž jeden průběh se vyskytoval vždy u vnitřní vrstvy (obr. 6-7 vpravo) a druhý průběh vždy u vrstvy vnější (obr. 6-7 vlevo). Chování vnější vrstvy je zaměnitelné s chováním nového maziva. U vnitřní vrstvy se vždy vyskytovaly masivní útvary maziva v pozorované oblasti (na obr. 6-7 zelené šipky). Tento jev byl při nízkém počtu provedených otáček pozorován i u maziva LV

74 U silně kontaminovaných vzorků LA-2 1F a LVT2EP 1F nebylo pozorováno výše popsané výrazné rozdělení vzorků z vnitřní a vnější vrstvy (obr. 6-8). Také ale v tomto případě neplatí vizuální shoda snímků nového maziva a vzorku z vnější vrstvy. U obou těchto maziv byl provoz ukončen překročením limity vibrací, je tedy možné, že došlo vlivem vibrací k promíchání maziva. Tomu ale neodpovídá kontaminace a pozorovaný objem maziva. obr. 6-8 Silně kontaminovaný vzorek ve 200 ot. LA-2 1F vlevo OUT, vpravo IN Proti hypotéze o předvídatelném pohybu maziva v ložisku vypovídají více nebo méně silně všechny prozkoumaná fakta. Výjimkou jsou snímky vzorků z hlavních ložisek kontaminovaných maziv, které nejsou hypotézu nepodporují, ale ani nevyvrací. Na základě těchto zjištění se jeví pravděpodobná varianta, že se mazivo v ložisku během celé doby provozu nepohybuje předvídatelným způsobem. Nelze ale vyloučit, že dochází k pohybu náhodnému a nepředvídatelnému. V takovém případě by se například zhroutila celá část maziva nacházející se vedle klece a došlo by k náhlému promíchání maziva. 74