Tribotechnická diagnostika Technický stav oleje, otěry strojních částí Tribologie je nauka o procesech tření, opotřebení a mazání. Tribologie Tribologie zahrnuje i tribotechniku, která se zabývá metodami a hlavně technickými prostředky k ovlivnění tření a opotřebení v konstrukci, montáži, provozu a údržbě strojů. Tribodiagnostika sleduje procesy v třoucích se dvojicích strojních součástí za účelem zjištění jejich provozního režimu a technického stavu. Tribodiagnostika rozšiřuje svou působnost na všechny druhy kontaktů mezi kinematickými dvojicemi strojů a snaží se jejich stav postihnout z výsledků analýz oleje, použitého v mazací soustavě. 1
Struktura tribologického uzle Prvky (A) 4 3 2 1 1 základní těleso 2 protikus 3 - mezilátka 4 prostředí Vlastnosti prvků ( P) Látkové a tvarové vlastnosti prvků 1, 2, 3, 4 Vzájemné interakce (R) (4) (3) (1) (2) Charakteristika tribologického systému Vstupy Pohyb Práce Materiál Informáce Vstupy nechtěné (teplo, vibrace, materiály-nečistoty,...) Struktura systému Výstupy ztrátové (tření, teplo, opotrebení, vibrace, akustické projevy,...) Výstupy užitečné Pohyb Práce Materiál Informáce 2
Tření Kluzné (smykové) dochází k relativnímu posouvání makroskopických dotykových ploch, vyskytuje se v kluzných vedeních, radiálních, axiálních ložiskách Valivé makroskopické dotykové plochy se cykloidicky přibližují a vzdalují (valivá ložiska ) Vrtné makroskopické kontakty rotují kolem normály, vyskytuje se v jemnomechanických strojích (ložiska měřících přístrojů, hodin ) Kombinované u strojních součástí jsou mnohdy uvedenéčisté formy tření kombinovány Valivé a kluzné tření typické pro záběr ozubených kol Valivé a vrtné tření valivá ložiska s kosoúhlým stykem, kde kuličky konají valivý pohyb vůči kroužkům v rovině spojnice kontaktních bodů a současně rotují kolem této spojnice Opotřebení Opotřebení nežádoucí trvalá změna tvaru, velikosti nebo i struktury materiálu na povrchu součástí (úbytek materiálu) Proces opotřebení záběh (odstranění mikronerovností), více či méně ustálený děj závislý na druhu opotřebení (abrazívní opotřebení má přibližně lineární nárůst s časem, únavové obvykle progresivní charakter) Druhy opotřebení: Adhezívní těsné přiblížení povrchů, ulpívání a vytrháváníčástic materiálu adhezívními silami Abrazivní oddělováníčástic za užití vnějších částic nebo tvrdšího povrchu součásti Erozivní oddělováníčástic a poškozováním součásti částicemi nesenými v proudu vzduchu nebo kapaliny Kavitační oddělováníčástic vlivem kavitačních procesů v látkách v kapalném stavu Únavové cyklické kontaktní namáhání součástí, kolísání smykových napětí, vznik jamek (pitting - mazivo) Vibrační oddělováníčástic z povrchu vlivem vibrací v tečném směru za působení normálového zatížení 3
Technický stav strojních olejů Strojní oleje mají v provozu široké použití a následkem periodicky se opakující změny kvality po každé výměně se stávají významným nositelem diagnostických signálů. Signály charakterizují: technický stav samotného oleje a určují jeho výměnu opotřebení strojních součástí se kterými olej přichází do styku a jejichž zplodiny v sobě absorbuje Funkce maziva: mazání přenos energie těsnění filtrace chlazení konzervace Nečistoty v oleji Měkké jsou tvořeny převážně ropnými pryskyřicemi, studenými kaly obsahujícími produkty oxidace oleje a paliva ve formě jemné suspenze (organický původ a rozpustnost v benzenu) Tvrdé jsou tvořené převážně kovovým otěrem třecích ploch stroje (Al, Fe, Cu, Pb ), prachovými částicemi křemíkové povahy a tvrdým karbonem (nejsou rozpustné v benzenu a většinou mají anorganický původ) Voda voda nebo chladící kapalina se dostává do oleje netěsnostmi a kondenzací Palivo nafta nebo benzín se dostává do motorového oleje následkem nedokonalého spalování Vzduch vzduch nebo jiné plyny se dostávají do oleje v pracovním procesu a zhoršují jeho mazací schopnost (přísady proti pěnění) 4
Posouzení technického stavu oleje Motorový olej znečišťují ho převážně měkké nečistoty, které projdou palivem, vodou a čističi a souvisí se stárnutím oleje. Naopak voda a palivo v oleji informuje o špatném technickém stavu motoru nebo nevhodném způsobu užívání. Tvrdé nečistoty mají na motorový olej menší vliv v důsledku schopnostíčističe zachytávat částice větší 10 µm. Zbytky paliva v motorovém oleji způsobují snížení viskozity, které se však mnohdy subjektivně nepozná, protože pevnéčástice a kaly naopak olej zahušťují. Nebezpečnější je nafta, protože benzín se po zahřátí motoru a prohřátí oleje odpařuje, kdežto nafta v oleji zůstává. Zvýšené množství vody se do motorového oleje kromě netěsností dostává převážně kondenzací na stěnách válců při častém spouštění. To vyvolává rychlejší působení koroze. Převodový olej znehodnocují ho převážně tvrdé nečistoty v podobě kovového otěru, v menší míře měkké nečistoty tvořené především zplodinami oxidace. Prachovéčástice se do prostoru převodovky dostávají v menší míře převážně z okolí nalévacího hrdla. Voda se do prostoru převodovky dostává také pouze v havarijních případech. Nečistoty působí jako abrazivo. Nevýhodou je, že většina náplní převodovek se v průběhu provozu nefiltruje. Hydraulický olej je znečišťován především tvrdými kovovými zplodinami otěru kluzných ploch. Nebezpečné jsou částice překračující velikost vůle v hydraulických prvcích (5 a více µm). Na kvalitu oleje má vliv funkce čističe. Měkkéčástice jsou méně škodlivé a vznikají z důvodu stárnutí. Usazují se na jednotlivých prvcích a omezují jejich funkci. Voda se v hydraulických olejích vyskytuje v menší míře a působí korozívně na citlivé plochy rozvaděčů apod. V případě, že se do soustavy dostane vzduch působí nepříznivě kavitační jevy (hlučnost, pokles tlaku, urychlené stárnutí oleje ) Požadavky na odběr vzorků odběr vzorku provádět bezprostředně po práci stroje (nejdéle 20 minut po odstavení problematika úsad) znalost systému čištění stroje odebírat vzorek z střední vrstvy (ne ze dna ani z hladiny) vzorek ukládat v čistých nádobkách maximální naplněných do 4/5 objemu nádobu po odebrání vzorku uzavřít 5
Testy olejových náplní Kapičkový test Stanovení celkových nečistot podle světelné propustnosti Bod vzplanutí Stanovení velikosti a počtu tvrdých nečistot Kapičkový test nanesení vzorku oleje na filtrační papír podle velikosti a tvaru se stanový celkové nečistoty a voda v oleji hodnocení je podle etalonů základních olejů Do difúzního pásma pronikají rozpustné složky. V okrajové části se usazuje většina nečistot. Přítomnost vody v oleji se vyznačuje charakteristickým vroubkovaným ohraničením okrajového pásma. Stanovení celkových nečistot podle světelné propustnosti oleje odebraný vzorek se zředí ve stanoveném poměru bezbarvým rozpouštědlem kapka oleje se rozetře mezi dvě sklíčka v přístroje se sklíčka prosvítí definovaným zdrojem světla fotoelektrickým článkem se měří intenzita proniklého světla porovnání s etalony o známých hodnotách (přístroj je přímo cejchován ve stupnici nečistot pouze počáteční etalonové nastavení) Bod vzplanutí teplota, kdy se vznítí směs par na hladině zahřátého oleje přiblíženým plamenem indikuje se zředění oleje palivem nový olej 200 C, nejnižší přípustná hodnota 150 C (není již zaručeno vyhovující mazání) 6
Stanovení velikosti a počtu tvrdých částic důležitá je znalost obsah tvrdých nečistot neméně důležité je znát jejich distribuční rozdělení větší množství menších nečistot má stejné provozní důsledky jako menší množství větších nečistot nejjednodušší metodou je prosté mikroskopické vyhodnocení v současnosti poloautomatická a automatická zařízení počítání nečistot automatizace sebou nese podstatné zvýšení investičních nákladů na měřící techniku vhodné využití parametrů jako diagnostického signálu Posouzení technického stavu strojních součástí podle otěru 70 % kovových nečistot ve spalovacích motorech se usazuje v čističích a zbytek koluje v oleji magnetické zátky pro zachytávání nevhodných úsad a nečistot množství a prvky nečistot lze považovat za diagnostický signál opal oleje výsledky nutno korigovat s ohledem na spotřebu a množství dolévaného oleje při kontrole je nutné volit vhodný prvek (hliník písty, ložiskové pánve ) z toho důvodu je nutné kombinovat pro přesnější diagnózu údaje o více prvcích nelze rozlišit, který píst, ložisko je třeba vyměnit či opravit často se sleduje jeden dominantní prvek a u ostatních se předpokládá, že jsou v relaci vazba mezi naměřeným množstvím otěrových částic v oleji a velikostí opotřebení příslušných strojních součástí vanová křivka rychlosti opotřebení v(t) 7
Vanová křivka rychlosti opotřebení Q kumulovaný obsah sledovaného kovu v rychlost opotřebení Q Q v v záběh život stroje t - doba provozu Zvýšené opotřebení vedoucí k obnově Ferografická analýza metoda separace feromagnetických látek z kapalin vzorek se přivede na šikmou destičku v nehomogenním magnetickém poli po ukončení přivádění oleje se pod mikroskopem zkoumají usazené částice DR-ferograf trubička a prosvěcování světlem v místě usazování malých a velkých částic On-line ferograf stejný jako DR, ale pracuje kontinuálně v mazacím nebo hydraulickém systému Bichromatický mikroskop kovové částice při prosvětlování červené (odraz) a nekovové zelené (propouštění) 8
Ferogram velké otěrovéčástice více jak 15 µm (A L plocha pokrytí) malé otěrovéčástice 1 až 2 µm (A S plocha pokrytí) index intenzity opotřebení I io I io = A L2 - A S 2 Čím více roste tento poměr, tím větší je opotřebení a uvádí se, že pokud je nárůst poměru 10 x před poruchou Stav stroje - usuzuje se na něj podle velikosti, tvaru a množství otěrových částic normální práce stroje počátek většího opotřebení náhlá porucha abrazívního opotřebení progresivní abrazívní opotřebení opotřebení v třecích plochách normální provoz styk kov kov Režim práce stroje stav před poruchou silné opotřebení Produkt malé ploché částice stálé množství větší L:S skokový nárůst L:S (tvar smyček, spirál) zvýšený počet charakteristických částic plošné, destičkové částice více oxidů veliké kovové částice Částice a opotřebení Adhezívní otěr šupinky a vločky o průměru 5 10 µm a tloušťce 0,25 0,75 µm, velikost by neměla přesáhnout 15 µm, jejich neexistence na ferogramu zvýšené opotřebení pokud jsou nahrazeny hranolky Abrazívní otěr drátky, spirálky, třísky s délkou desítek až stovek µm a s tloušťkou desetin µm (6 abrazívníchčástic ve stopě ferografu značí neodvratnou havárii). Při záběhu vznikají takéčástečky abrazivní, ale jejich tvary jsou srpečky, meče Částice sférické kulovité tvary vznikající při únavovém namáhání s průměrem 2 až 5 µm (na jedno valivé těleso bylo napočítáno při havárii 7 miliónů sférických částic) Částice laminární jsou většinou přetvořeny ze sférických jako sekundární (slisovány ve dráze valivých těles), více jak 12 těchto částic spolu se sférickými je znakem brzké havárie ložiska (jasně červené částice) Únavovéčástice vznikají hlavně v ozubení, mají tvar trojhránků o velikosti až v desítkách µm. Také vznikají u valivých ložisek (hladký povrch a nepravidelné okraje Únavový otěr z ložisek (délka : tloušťka = 10 : 1) a z ozubení (4 : 1), díky vysoké teplotě při kontaktu zubů mají díky oxidaci slámově žlutohnědou až bronzově hnědou barvu Korozívníčástice následek chemických reakcí v oleji (zelený okraj, červený střed) 9
Katastrofické částice a částice mezního opotřebení velké trojrozměrnéčástice o velikosti 30 až 70 µm a nápadně klesá počet vloček jednostranně orientovaná ostrá hrana s poměrem délky a tloušťky až 10 : 1 více jak 6 těchto částic pod objektivem 10x nutné odstavení stroje blížící se havarijní porucha průběh koncentrace částice normální stav dynamická rovnováha usazování, rozpouštění, filtrací a vzniku otěrových částic (odběry vzorků před filtrem) koncentrace částic záběh normální opotřebení progresivní rozvoj defektu výměna oleje doba provozu Atomová absorpční spektroskopie přesná laboratorní metoda plně automatizovaná (analýza, vyhodnocení ) vzorek oleje je zředěn metylizobutylketonem a vytvoří se jeho směs se vzduchem a kyslíkem zapálení směsi v přístroji v plameni dojde k atomizaci sledovaných kovů a následkem toho k absorpci příslušných vlnových délek světelného zdroje intenzita jednotlivých linií světla dává informace o obsahu sledovaných kovů spektrum lze převést na fotocitlivý materiál nebo provést přímou indikaci pomocí fotočlánku a galvanometru Kolorimetrická metoda světelná propustnost standardních roztoků se porovnává se vzorkem opotřebovaného oleje drahý postup spálení vzorku oleje a využití popela k analýze rychlá a levná analýza extrakce otěrových kovů z oleje do vodní fáze přímo s běžným stanovením obsahu ferometrem 10
Induktivní metoda využití změny indukčnosti vzorku s rozdílným obsahem feromagnetických otěrových částic (hlavně železa) nádobka se vzorkem oleje ovlivňuje měřenou indukčnost solenoidu výhoda v rychlosti a nízkých nákladech nevýhoda v malé citlivosti při malém obsahu feromagnetických látek a nemožnost zjišťovat ostatní kovy Tribodiagnostika řezných kapalín U vodných roztoků a emulzí při diagnostice sledujeme: - koncentraci emulze, - hodnotu ph, - bakteriální znečistení, - pěnivost emulze. U řezných ropných a syntetických olejů sledujeme: - viskozitu, -číslo kyselosti, - pěnivost, - obsah vody, - obsah nečistot. 11
Tribodiagnostika plastických maziv Plastická maziva koloidné soustavy složené z mazacího oleje, zpevňující složky (kovové mýdla) a přísad jako např. tuhé maziva. Při hodnocení jejich vlastností se sleduje zejména: - Konzistence (stupeň tuhosti) - Teplota skápnutí Stálost sa hodnotí: - tepelnou stabilitou zachovaním struktury (ohřev a ochlazení) - mechanická stálost změny v reologických vlastnostích - koloidná nestabilita rozpad plastického maziva LaserNet Fines-C (LNF-C) Analyzátor částic & Klasifikátor tvarů částic Sledování stavu strojů, založené na olejové analýze 12
LaserNet Fines-C (LNF-C) Základní funkce LNF Identifikace částic opotřebení. Procentní identifikace volné vody. Velikost částic je počítaná přímo a rozdělená do intervalů 5-15µm, 15-25µm, 25-50µm a vetší než 50µm. Na základě kruhového průměru částic přístroj stanoví kódy čistoty NAS, NAVAR a ISO. 13
Protokol částice adhezivního opotřebení Protokol částice únavového opotřebení 14
Protokol celkové částice Protokol norma ISO 4406 15
Protokol vizuální interpretace zastoupení částic opotřebení Ford Transit 16
Nové auto Starší auto 17
Výsledný nomogram Popis oblastí 18
Tribotechnická diagnostika Technický stav oleje, otěry strojních částí 19