Mazání výrobních strojů (např. obráběcích) František Vlašic Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Technická 2, 616 69 Brno, Česká republika V tomto článku bych se chtěl zaměřit spíše na mazání obráběcích strojů - nejrozšířenějšího druhu výrobních strojů (obr. 1). Informace se budou týkat současného trendu s tím, že zabrousím také trošku do minulosti, abychom mohli rozpoznat proběhlé technické pokroky. Musím ale také konstatovat, že v tomto odvětví se dle mého zjištění technologie mazání v posledních letech už moc nevyvíjí, resp. bychom mohli říci, že „už není co vymýšlet“. Ovšem v některých oblastech, např. používání multifunkčních maziv, je ještě prostor pro vývoj.
1. ÚVOD Moderní stroje a jejich mechanismy jsou konstrukčně stále lépe propracovány a výrobně precizněji provedeny. To má za následek stále se zvyšující nároky na dodržování všech zásad správného používání a údržby strojů. Mazivo a způsob mazání významně ovlivňují celkovou efektivnost strojů. Jmenujme jen některé funkce maziva: maže třecí plochy, konzervuje mazané povrchy, odvádí třecí teplo, zlepšuje účinnost a brání vnikání nečistot zvenčí, vynáší otěrové částice. Má tedy přímý vliv na rychlost opotřebení funkčních povrchů součástí a tím na životnost mechanismů. Ve svých důsledcích to znamená, že mazání má vliv na výši provozních i investičních nákladů strojů a tedy výrobních nákladů [1]. Pracovní a mazací oleje znamenají pro stroj totéž, co pro člověka znamená krev. Olej proto musí být tak chráněný, aby mohl sám ochraňovat výrobní stroje. Aby stroje dosáhly vysoké produktivity a efektivity a trvale docílily projektované výrobní kapacity, měly by mít: • • • • •
vysokou spolehlivost dlouhou životnost nízkou energetickou náročnost nízké provozní náklady co nejmenší negativní vlivy na životní prostředí
Dominantní vliv na trvalé udržení uvedených parametrů má velikost tření a opotřebení, které je všude, kde se strojní části a díly vzájemně posouvají, otáčejí a odvalují. Mazání strojů se tedy posunuje z oblasti technických problémů do oblasti tribologie (nauka o souvislostech tření, opotřebení a mazání), tedy do oblasti, kdy často běžně prováděná údržba není schopna zabezpečit požadavky výroby a olej není schopen zabezpečovat očekávané funkce [2].
Obrázek 1. Technologický proces [1]
2. MAZANÁ MÍSTA A SYSTÉMY VE VÝROBNÍM STROJI Mazivo se z mazacích míst uvolňuje odpařováním, vytékáním, odkapáváním, vymýváním. Zejména při občasném (nárazovém) mazání dochází obvykle k přeplnění mazacích míst a větší část maziva se přímo dostává do prostředí. V souhrnu jsou to značná kvanta maziv, která jsou rozptylována po silnicích, železnicích, řekách a mořích, polích i do vzduchu [3].
Každý obráběcí stroj má mnoho součástí, které se pohybují. Každé hybné uložení má své požadavky jak na druh použitého maziva, tak i na způsob mazání. Při pojednávání o mazání obráběcích strojů je proto vhodné rozdělit statě na jednotlivé případy mazání základních strojních součástí [4]. Jsou jimi: mazání kluzných ložisek valivých ložisek ozubených a hydraulických převodů kluzných vedení pohybových šroubů 2.1. Mazání kluzných ložisek Nejčastějším uložením u obráběcích strojů jsou válcová ložiska, zachycující radiální zatížení. Při mazání olejem, i při požadavku nejvyšší přesnosti uložení, musí být zajištěno kapalinné tření. Tato zásada musí být sledována již při konstrukci stroje, který musí být řešen tak, aby otáčející se hřídel strhával mazací olej (vhodně přiváděný) do zatížené části ložiska, kde se při dodržení dostatečné kluzné rychlosti vytváří souvislá olejová vrstva. Tlak v této mazací vrstvě zdvihá hřídel a umožňuje tím jeho „plavání“ [5]. Podle provozních podmínek a podle druhu instalované mazací soustavy je třeba stanovit správnou skupinu mazacího oleje. Základními hledisky jsou zde provozní bezpečnost a hospodárnost. 2.2. Mazání valivých ložisek Mazáním zmenšíme tření, není to však, jak bychom očekávali, tření valivé, které se mazáním spíše mírně zvýší, nýbrž především tření kluzné, jež se za chodu valivého ložiska také vyskytuje. Kluzné tření nastává mezi valivými tělísky a klecí; vzniká nedokonalým odvalováním, tj. deformací valivých tělísek i oběžných drah aj. Vývoj valivých ložisek vyšel ze snahy nahradit kluzné tření v ložisku třením valivým a tím co nejvíce zmenšit ztráty třením i jejich následky. U valivých ložisek vy nemělo být mazání příliš velkým problémem vzhledem k nepatrnému tření v odvalovacím pochodu při styku jednotlivých částí valivého ložiska. Přesto je mazání valivých ložisek důležité pro trvanlivost a bezporuchový chod ložisek.
2.3. Mazání ozubených a hydraulických převodů Velká část obráběcích strojů má jeden nebo i více ozubených převodů. Volba druhu - skupiny oleje pro mazání čelných převodovek obráběcích strojů je ve většině případů dána již tím, že oleje se používá i k mazání jiných částí stroje. Při určování druhu oleje musí být předně zajištěno dokonalé mazání převodovky [5]. U hydraulických převodů, vyskytující se hlavně v posuvovém ústrojí, bývá tlakovou kapalinou olej, který musí být vždy dostatečně chemicky stálý, protože je mechanicky i chemicky značně zatěžován. Chemická stálost není však jediným požadavkem na hydraulický olej; stejně nutné a důležité jsou také viskozita, závislost viskozity na teplotě a dokonalá čistota. 2.4. Mazání kluzných vedení Pracovní poměry kluzných vedení obráběcích strojů (saně, suporty, smykadla) neumožňují dosáhnout kapalinného tření. S ohledem na požadavek co největší přilnavosti maziva se mohou mazat jen olejem. 2.5. Mazání pohybových šroubů U pohybových šroubů a vřeten se vyskytuje výhradně tření mezné. Pohybové šrouby jsou také většinou jen v občasném pohybu. 2.6. Systémy ve výrobním stroji Způsob mazání obráběcího stroje a jeho obsluhy je dán druhem mazací soustavy. Ruční mazání olejem, mazání kapací a knotové, které patří mezi krátkodobé mazací soustavy, nemá už ani cenu uvádět. U obráběcích strojů se však nejběžněji používá dlouhodobých mazacích soustav. Začalo to mazáním kluzných ložisek kroužkem. Kroužek je volně zavěšen na hřídeli, namáčí se do olejové lázně v ložiskovém tělese a při otáčení hřídele na něj olej vynáší. Odtud stéká olej mazacími drážkami na třecí plochy. Dalším mazáním je brodicí mazání. Při tomto způsobu jsou součásti mazány přímým smáčením v olejové lázni (obr. 2). Třecí povrchy strojních částí jsou ponořeny zcela nebo jen částečně do olejové
lázně, v níž se brodí a svým pohybem vnášejí olej mezi odvalující se styčné plochy.
Obrázek 4. Schéma mazání olejovou mlhou [16] Obrázek 2. Princip brodivého mazání [16]
Další způsob je rozstřikové mazání, které se vyskytuje jen při mazání částí strojů uzavřených ve společné skříni (obr. 3) (převodovky). Spodní část skříně tvoří nádrž na olej, do něhož zasahuje některá z rychle se točících součástí, čímž způsobuje rozstřik oleje po celé skříni. Mazací olej je v této soustavě značně namáhán.
Obrázek 3. Rozprašování oleje [18]
Předposledním způsobem mazání je mazání olejovou mlhou (obr. 4). Používá se při mazání rychloběžných vřeten uložených ve valivých ložiscích s obvodovou rychlostí nad 25 m.s-1.
Nejdokonalejším mazáním, z hlediska zajištění dokonalosti i s ohledem na hospodárnost, je mazání oběhové [6]. Je účelné především tam, kde se musí mazat větší počet míst. Pokud se může použít pro mazání kluzných uložení (vřeten) i převodů oleje o téže viskozitě, je mazací soustavy plně využito. Z nádrže (zásobníku) se přivádí k mazaným místům dostatečné množství oleje pod tlakem, olejovým čerpadlem. Množství oleje závisí na počtu a druhu mazaných míst a na potřebě odvádět teplo. Pro mazání ložiska stačí jen poměrně malé množství oleje, jež se může i vypočítat a které si ložisko při dokonalém kapalinném mazání odebírá samo [15]. Centrální mazací systémy jsou vhodné pro mobilní stroje, pro stacionární stroje i pro skupiny stacionárních strojů či strojní linky. V principu je centrální mazací systém tvořen zdrojem tlakového maziva, rozvodem maziva, zařízením pro dávkování a rozdělování maziva, zařízením pro případnou úpravu maziva, kontrolním a řídicím systémem. Jako mazivo může být použit olej nebo plastické mazivo různé konzistence. Centrální mazací systém může pracovat periodicky nebo kontinuálně, v automatickém nebo ručním režimu. Režim se volí podle charakteru a podmínek provozu. Hlavní předností je, že mazivo je přiváděno na mazané plochy při činnosti stroje; tím se bezpečně a rychle dostává na třecí plochy. Pro běžné hydrodynamické mazání obráběcích strojů postačí dopravovat olej k ložiskům malým tlakem. Při vysokém tlaku nastává totiž silné rozprašování oleje při jeho odtoku z mazaných míst, při oběhu se olej nestačí odvzdušnit, nezbaví se v nádrži veškerého pohlceného vzduchu a čerpadlo pak nasáná olej se vzduchem.
3. FUNKCE MAZIVA V JEDNOTLIVÝCH MÍSTECH A SYSTÉMECH 3.1. Kluzná ložiska Zavádí se zde kapalinné tření, kterého se dosáhlo hydrodynamickým mazáním, zajištěným vlastní činností ložiska. V případech, kdy nelze zajistit kapalinné tření mazáním hydrodynamickým, musíme vytvořit tzv. mazání hydrostatické. Při tomto mazání jsou kluzné plochy odděleny nuceně přiváděným olejem. Olej musí být dopravován do kluzného ložiska takovým tlakem a v takovým množství, aby se kluzné plochy od sebe oddálily. Hydrostatické mazání se užívá tam, kde buď nelze zajistit všechny podmínky pro mazání hydrodynamické (kluzná vedení obráběcích strojů s nízkými kluznými rychlostmi) nebo tehdy, musí-li být kluzné uložení velmi tuhé (uložení u vřeten brusek). Jen v málo případech se u obráběcích strojů vyskytuje v kluzném ložisku tření mezné – polosuché. Je to především při malých kluzných rychlostech. U kapalinného i mu mezného tření však záleží ještě na mnoha dalších činitelích, kterými je možno dosáhnout nejvýhodnějšího stavu. Jedním z nejdůležitějších je přívod maziva (obr. 5). Vhodné přivedení oleje znamená umístit jeho přívod v místě vzdáleném od místa největšího zatížení o 90 až 180° proti smyslu otáčení. Jen tak může přitékat dostatečné množství oleje, které se pak čerpacím účinkem ložiska dostává do zatížené části ložiska. Obrázek znázorňuje, kde má být přívod oleje při otáčení čepu.
Obrázek 5. Přívod oleje [4]
Průběh tlaku v olejové vrstvě nesmí být rušen. To znamená, že jak přívod, tak i případný rozvod oleje drážkami po celé délce ložiska nesmí být v nosné (zatížené) části ložiska. Jinak vyrovnání tlaků oleje v přívodu s tlakem v zatížené části ložiska sníží celkovou únosnost ložiska. Tento nežádoucí stav bývá při axiální drážce v zatížené části ložiska. Rozváděcí (mazací) drážky (obr. 6) mají být pokud možno kolmé na směr pohybu. Nesmějí sahat až ke krajům ložiska (5 až 15 mm od kraje ložiska). Drážky se musí umístit opět v nezatížené části ložiska a mají tvar podle obrázku.
Obrázek 6. Mazací drážky [4]
3.2. Valivá ložiska Valivá ložiska chráníme mazáním v první řadě proti účinkům prostředí, ve kterém pracují; nejdůležitější je ochrana ložiska proti korozi. Toho se dosáhne souvislým povlakem valivého ložiska mazivem a dotěsněním ložiska v ložiskovém tělese. Dalším cílem mazání je odvod tepla mazivem. Valivá ložiska obráběcích strojů mažeme olejem dvěma způsoby, a to olejem přímo nebo olejovou mlhou. Velikost valivého tření se mnohdy mazáním nezmenší. Při mazání přistupuje práce tření broděním valivých tělísek v oleji nebo hnětením plastického maziva. Tato třecí práce pak vzrůstá s rostoucí viskozitou maziva, s jeho množstvím a s obvodovou rychlostí ložiska. 3.3. Ozubené a hydraulické převody Vhodným mazivem pro každý ozubený převod je pouze mazací olej. Mazacích tuků nelze z mnoha důvodů použít. Mazivo musí zatékat do záběru ozubených kol. V některých případech se mazací
olej do záběru přivádí a tím se zajišťuje vyhovující mazání. Zabrání se otěru boků zubů, hlučnému chodu a nadměrným teplotám. Dokonalost mazání záleží v ochraně ozubených kol před opotřebením a zadřením při dosažení co nejmenších mechanických ztrát u daného soukolí, a to za daných pracovních podmínek. Spolehlivé mazání zajistí, při vhodně voleném způsobu mazání, správně zvolené mazivo přiváděné v dostatečném množství a neporušené čistotě do záběru zubů [13]. Způsob mazání se volí tak, aby vyhovoval pracovním podmínkám daného ozubeného soukolí. Potřeba maziva se řídí především obvodovou rychlostí kol, popř. nutností odvodu tepla vyvozeného třením. Dále se řídí zatížením zubů, přesností provedení, požadovanou trvanlivostí, provozním vytížením (doba chodu), pracovní teplotou a vlivem prostředí (teplota, prach, vlhko, aj.). U obráběcích strojů se často vyskytují posuvová ústrojí poháněná hydrostatickým převodem. Tlakovou kapalinou je olej, který musí být vždy dostatečně chemicky stálý, protože je mechanicky i chemicky značně zatěžován. Chemická stálost není však jediným požadavkem na hydraulický olej; stejně nutné a důležité jsou také viskozita, závislost viskozity na teplotě a dokonalá čistota. 3.4. Kluzná vedení Dokonalé mazání, tj. takové mazání, které by zajistilo oddělení kluzných povrchů kapalinovou vrstvou, a tím vyloučilo jakékoli jejich opotřebení, je možné jen při mazání hydrostatickém (nepřerušovaný plynulý přívod maziva pod tlakem). S tímto způsobem mazání se však setkáváme zřídka vzhledem k složitější konstrukci a zvětšení výrobních nákladů. Většinou tedy musíme volit běžné mazání, při němž se může dosáhnout kapalinného tření (jsou-li splněny ostatní základní podmínky pro dokonalé mazání) s výjimkou oblastí v úvratích [3]. V těchto polohách pak dochází u kluzných vedení k opotřebení. Snaha o zmenšení otěru vede k tomu, že se mezi smýkadlem a vedením dovolují jen malé měrné tlaky. Při těchto tlacích se ovšem dosahuje kapalinného tření již při malé kluzné rychlosti, což je pro mazání velmi výhodné jak k zamezení opotřebení, tak i k dosažení malého součinitele tření.
Velikost „mezních“ kluzných rychlostí, tj. rychlostí, při nichž smíšené tření přechází v kapalinné, závisí ovšem nejen na měrném tlaku, ale také na materiálu kluzných povrchů, na jakosti jejich obrobení a na vlastnostech maziva (viskozitě oleje). 3.5. Pohybové šrouby Mazivo má v prvé řadě konzervovat. Pohybové šrouby a vřetena se mají pravidelně mazat olejem s nejvyšší přilnavostí. Pro nejmenší stékavost má mít olej nejvyšší viskozitu [4]. 4. DRUHY MAZIV VHODNÝCH PRO JEJICH MAZÁNÍ K zabezpečení bezvadné funkce obráběcích strojů se používá mnohdy až sedm druhů maziv. Dochází-li vlivem netěsnosti k průniku jednoho druhu do druhého, může docházet k problémům s kvalitou obrábění, v extrémních případech až k výpadku stroje, nejčastěji ale dochází ke zkrácení životnosti obráběcích emulzí v důsledku jejich zvýšeného mikrobiálního zatížení. Společnou příčinou uvedených problémů je vzájemná nesnášenlivost mezi jednotlivými druhy maziv, která se nejčastěji projevuje ve snížené kvalitě obráběcí emulze [7]. Neustálým zvyšováním technických parametrů strojů - tlaku, teplot, dynamického namáhání, se na oleje kladou stále vyšší nároky. Olej ve stroji má za úkol plnit několik základních funkcí: snižovat tření, odvádět nečistoty, odvádět vzniklé teplo, přenášet sílu a pohyb, snižovat opotřebení, chránit proti korozi, dodatečně utěsňovat proti vnikání nečistot. Všechny tyto požadavky podstatně zpřísňují nároky na čistotu olejů po celou dobu jejich užívání ve strojích. Konstrukční prvky hydraulických rozvodů počítají s novým strojem a s novým olejem. Vlivem prostředí se ale podmínky provozu velmi radikálně mění. Olej se znečišťuje a s přibývajícími provozními hodinami mění svoje chemickofyzikální vlastnosti. Vlivem toho dochází ke stále častějším poruchám řídicích nebo regulačních prvků hydraulického systému, vyššímu opotřebení kluzných částí nebo zvyšování teploty oleje a celého stroje [2]. Ve výrobním procesu to přináší pět základních skupin ztrát:
1. nepředvídatelné prostoje strojů 2. prodlužování času na seřízení a přípravu stroje 3. pomalejší rychlost strojů 4. krátká přerušování provozu stroje, vyšší zmetkovitost vlivem Stick-Slip efektu 5. prodlužující se rozběhový čas strojů Bohužel, v praxi jsou všechny tyto ztráty hodnoceny, pokud jsou vůbec vnímány, jako samozřejmost a jsou souhrnně nazývány "stárnutím stroje". Obecně lze shrnout, že v některých firmách proces "stárnutí" končí až poruchou stroje mnohdy v hodnotě několika set tisíc korun a po opravě se znovu celý cyklus opakuje až do chvíle, kdy se poruchovost stroje zvýší natolik, že je zapotřebí investovat do stroje nového v hodnotě třeba i desítek milionů korun. Podobně jako u olejů pro motorová vozidla se v současnosti u většiny výrobců prosazuje trend prodlužování životnosti náplní, umožněný jak použitím nových materiálů a technologií při výrobě strojů, tak vývojem speciálních olejů pro mazání. Stále častěji jsou používány základové syntetické a hydrokrakované oleje spolu s nasazením vysoce výkonných aditiv [15]. U průmyslových strojů ještě ve větší míře než u automobilů záleží na doporučení výrobce stroje, které oleje použít. Stává se pravidlem, že manuály strojů obsahují konkrétní oleje konkrétních výrobců, nikoliv pouze odkazy na normy, které musí maziva splňovat [8].
4.1. Základové oleje Výchozí surovinou pro výrobu olejů je ropa, která je směsí nejrůznějších uhlovodíků. Uhlovodíky jsou látky, jejichž molekuly jsou tvořeny různě dlouhými řetězci atomů uhlíku C, na které jsou navázány atomy vodíku H. Řetězce jsou různě rozvětvené, mohou být i cyklické. Pokud je řetězec kratší než pět atomů uhlíku C (C1 - C4), uhlovodík existuje v plynném stavu a je těžen ve formě zemního plynu. V praxi tvoří základ maziva směs jednotlivých základových olejů a proto jsou pro
označování maziv používána označení minerální, polosyntetický a syntetický olej. Rafinát se získává rafinací ropy, která je nejdéle známou metodou pro získávání základových olejů z ropy. Cílem rafinace ropy je rozdělit ropu na jednotlivé složky (frakce) podle délky řetězců uhlovodíků. Jednou z frakcí, která je rafinací získána jsou i základové oleje [10]. Hydrokrakované oleje se získávají hydrokrakováním produktů rafinace ropy. Cílem hydrokrakování je rozštěpit dlouhé řetězce molekul uhlovodíků (C35 a výše) na kratší řetězce molekul olejů (C20 – C35). Tímto způsobem lze získat z parafínů a těžkých topných olejů mazací oleje. Syntetické uhlovodíky jsou vyráběny syntézou (chemickým slučováním) základních stavebních uhlovodíkových molekul. Cílem syntézy uhlovodíků je vytvořit požadované molekuly složením ze základních stavebních uhlovodíků. Syntetické oleje jsou tvořeny nejrůznějšími estery a polyglykoly a jsou vyráběny syntézou (chemickým slučováním) základních stavebních uhlovodíkových molekul. Jedná se o nejmodernější metodu pro výrobu základových syntetických olejů [12]. Syntetické oleje jsou vyráběny složitými chemickými postupy, jejichž výsledkem jsou oleje s vynikajícími s stabilními vlastnostmi. Popis procesu syntézy přesahuje rámec tohoto článku. 4.2. Aditiva Aditiva jsou chemické přísady, které zlepšují vlastnosti olejů a plastických maziv. Druhy aditiv a jejich množství se liší podle způsobu užití maziva. Obsah aditiv v mazivu se pohybuje v rozsahu od 1 do 25%. Druhy a množství aditiv stanovují výrobci na základě norem a praktických zkoušek [8]. 4.3. Mazání valivých ložisek Úlohou mazání valivých ložisek je vytvoření stabilního nosného mazacího filmu ve styku valivých těles na funkčních plochách klece. Mazivo chrání též ložisko před korozí a zlepšuje jeho utěsnění. Všechny druhy valivých ložisek mohou být mazány plastickým mazivem nebo olejem, kromě axiálních soudečkových ložisek, která musí být mazána pouze olejem. Vyhovuje-li provozním poměrům a druhu ložiska plastické mazivo i olej,
dává se přednost zpravidla mazání plastickým mazivem, protože umožňuje jednodušší uspořádání uložení. Způsob mazání závisí vždy na provozních poměrech, přičemž je třeba vzít v úvahu: • • • • • • •
teplotu otáčky velikost ložiska zatížení požadavky na těsnění hospodárnost požadavky na těsnění
Každé mazivo má příznivé vlastnosti jen v určitém rozsahu teplot, a proto je pro volbu maziva rozhodující především provozní teplota ložiska. V ložisku má být jen poměrně malé, nezbytně nutné množství maziva. Přemazané ložisko má vyšší tření, a tím i vyšší teplotu. 4.4. Multifunkční oleje pro obráběcí stroje Úspěšným řešením potíží, vznikajících vzájemnou nesnášenlivostí mazacích prostředků v obráběcích strojích, je nasazení multifunkčních olejů. Tyto produkty umožňují nasazení jednoho druhu jako obráběcího oleje, obráběcí emulze, hydraulického oleje, popř. také jako oleje pro kluzná vedení nebo čisticí emulze. Základem jsou obvykle syntetické oleje esterového typu, které mají vůči minerálním olejům převahu ve výkonnosti, nevykazují však nedostatky přírodních esterů, jako je nízká odolnost vůči hydrolýze a nízká odolnost vůči stárnutí. Přidané speciální emulgátory pak umožňují jejich použití ve formě obráběcích emulzí a zvyšují jejich oplachovací a mycí schopnost. Při přípravě obráběcích emulzí se k emulzi, připravené z esterového oleje, přidává další složka, kterou je aditiv, stabilizující pH-hodnotu emulze, zlepšující její protikorozní ochranu a odolnost proti napadení mikroorganismy. Multifunkční oleje se tak mohou používat jako univerzální náplně obráběcích strojů a obráběcích center pro obrábění prakticky všech kovových materiálů a pro všechny druhy obrábění. Přitom pracují jako obráběcí oleje nebo obráběcí emulze a současně, ve formě olejových koncentrátů,
jako hydraulické oleje, popř. oleje pro kluzná vedení [7]. Dnešní trend u obráběcích kapalin směřuje k nižším viskozitám s cílem snížení ztrát oleje vyneseného na třískách nebo v brusném kalu. Dalším významným argumentem pro nízkoviskózní olej je moderní trend vysokorychlostního obrábění, které pro dosažení dobrého výsledku vyžaduje dobrý odvod tepla. Při obrábění s řezným olejem jsou tedy ve stroji použity pouze oleje, které obsahují stejný soubor přísad a liší se jen viskozitou – tak jak to vyžaduje jejich funkce – tzv. rodina kapalin. Při pronikání olejů z náplní stroje do řezného oleje pak téměř nedochází ke změně jeho složení a jediným problémem zůstává nárůst jeho viskozity spojený s horší filtrovatelností, horším odvodem tepla a většími ztrátami oleje na třískách. Vzhledem k tomu, že nejčastěji se do řezného oleje dostává olej z hydraulického okruhu (který má nejnižší viskozitu ze všech náplní stroje), je nárůst viskozity řezného oleje pomalý a je dobře řešitelný řízeným doplňováním řezného oleje o nižší viskozitě [11]. Dalším významným krokem k jediné multifunkční kapalině je použití nízkoviskózního syntetického esterového oleje. Řezné oleje mají horší odvod tepla než kapaliny obsahující vodu. Proto při obráběcích operacích s vysokým vývinem tepla (typicky vysokorychlostní obrábění, výkonnostní broušení) musí být viskozita oleje minimalizována. V případě konvenčních olejů však snížení viskozity znamená současně téměř exponenciální růst odpařivosti oleje a také snížení jeho bodu vzplanutí, což představuje významný zdravotní a bezpečnostní problém. Naproti tomu, esterové oleje, přírodní i syntetické, mají ve srovnání s konvenčními oleji velmi nízkou odpařivost, značně vyšší bod vzplanutí a velmi vysoký viskozitní index. Zatímco přírodní esterové oleje mají horší hydrolytickou i oxidační stabilitu, syntetické esterové oleje jsou v tomto směru také lepší než ropné oleje. Současně mají esterové oleje i výhodné tribologické charakteristiky čili lepší tření a velmi dobrou ochranu proti opotřebení, a to i bez použití přísad. Tyto výhody, spolu s dobrou biologickou odbouratelností a dobrou snášenlivostí s pokožkou, je předurčují pro použití v obráběcích strojích jako řezné i mazací oleje [7].
Jaké úspory nákladů lze při použití multifunkčních olejů očekávat? Konkrétní vyčíslení nákladů při používání běžných mazacích náplní obráběcích strojů a při používání multifunkčních mazacích náplní je třeba provést na konkrétních příkladech použití. Zavedení multifunkčních olejů ale poskytuje řadu možností úspor nákladů: • logistické výhody dané redukcí druhů maziv • prodloužení životnosti obráběcích emulzí • snížení nákladů na likvidaci olejových náplní obráběcích strojů • zjednodušení čištění stroje • zjednodušená úprava kvality mazacích náplní a péče o ně • vyšší bezpečnost práce a ochrana životního prostředí • prodloužení životnosti nástrojů • menší spotřeba maziv • vyšší kvalita obrobků • vyšší bezpečnost výroby Multifunkční kapaliny se začínají prosazovat jako univerzální náplně obráběcích strojů. Přinášejí řadu výhod, z nichž nejmarkantnější je dlouhodobé zachování potřebné kvality obráběcích emulzí. Kvalita emulzí se totiž zhoršuje, pokud do ní pronikají oleje z hydraulického systému, z mazání kluzných vedení i z jiných mazaných částí obráběcích strojů, které mají podobné vlastnosti jako koncentrát pro přípravu emulze. Díky zvoleným syntetickým základům a aditivům jsou obráběcí emulze méně náchylné k napadení mikroorganizmy a zpravidla snášenlivější a méně agresivní pro obsluhu obráběcích strojů [11]. Multifunkční oleje v hydraulických systémech a maziva pro kluzná vedení mají špičkové užitné vlastnosti a společně s obráběcími kapalinami na stejné bázi tvoří výhodnou, jednoduchou a vysoce kvalitní náplň moderních obráběcích strojů [7]. 5. STANOVENÍ VISKOZITY A VÝKONNOSTI OLEJŮ Maziva jsou prodávána pod obchodními názvy, které samy o sobě nic neříkají o vlastnostech a možnostech použití maziva. Výjimkou jsou oleje pro
motorová vozidla, které ve svém názvu obsahují informaci o viskozitě. Detailní informace o mazivu je možné získat z produktových listů výrobce. Produktové listy popisují podrobně vlastnosti maziv (např. viskozitu), chemické složení maziv (druh základového oleje, obsah aditiv) a oblasti jejich použití (např. hydraulický olej pro vysokou zátěž). Nejdůležitější informace uvádějí výrobci ve stručnější formě přímo na obalech (viskozita, oblast použití, opatření proti poškození zdraví) [8]. Fyzikální vlastnost viskozita je jednou ze základních vlastností, kterou je třeba zvážit při výběru vhodného maziva. Viskozita je veličina udávající velikost vnitřního tření v kapalině. Nízko viskózní kapaliny tečou snadno (např. voda), vysoce viskózní kapaliny tečou obtížně (např. med). Viskozita maziva má veliký vliv na kvalitu mazání. Pokud je viskozita příliš nízká (vysoká tekutost), mazivo je vytlačováno z mazacího prostoru, dochází ke ztenčení filmu maziva, což způsobí nedostatečné mazání a může dojít k poškození mazaných ploch. Pokud je viskozita maziva příliš vysoká (nízká tekutost), mazivo se obtížně dostává do mazacího prostoru, což způsobí nedostatečné mazání a může dojít k poškození mazaných ploch [9]. Viskozita olejů se mění se změnou teploty a se stářím oleje (s vyšší teplotou viskozita klesá). Proto se předepsaná viskozita oleje nestanovuje jako konkrétní hodnota, ale jako rozmezí hodnot, ve kterých se může viskozita pohybovat. Tato rozmezí se označují pojmem Viskózní třídy a jejich označení a vlastnosti jsou normovány (tab. 1). Viskózní třídy olejů pro průmyslové oleje jsou definovány normou ISO VG (ISO - International Organization for Standardization - Viscosity Grade). Tabulka 1 Značení viskozity průmyslových olejů [8] Viskozita při ISO-VG SAE průmyslové oleje
2 3 5 7 10
40°C [mm2/s] min max
1,98 2,88 4,14 6,12 9,0
2,42 3,52 5,06 7,48 11,0
motorové oleje
SAE převodové oleje
0W
15 22 32 46
13,5 19,8 28,8
16,5 24,2 35,2
41,4
50,6
68
61,2
74,8
100 150 220 320 460 680 1000 1500
90 135 198 288 414 612 900 1350
110 165 242 352 506 748 1100 1650
5W 10W 15W 20W 25W 20 30 40 50
70W 75W
80W 85W 90W 140W
-
20 pokud dojde ke snížení provozní teploty a naopak SAE 40 nebo SAE 50 pokud dojde ke zvýšení provozní teploty. Vhodná viskozita oleje závistí na zatížení oleje. Čím je zatížení vyšší, tím je vyžadována vyšší viskozita oleje (vyšší viskózní třída SAE). Proto může být pro motor, pro který je předepsán olej SAE 30 v režimu vysokého zatížení použit olej SAE 40 nebo SAE 50 při normálním zatížení (obr. 7). Se vzrůstající rychlostí vzájemného pohybu mazaných ploch se olej dostává obtížněji do mazacího prostoru a je z něj rychleji vytlačován [9]. Čím je vzájemná rychlost pohybujících se ploch vyšší, tím musí být viskozita použitého oleje nižší.
250
5.1. Viskozita v praxi Zařazování oleje do viskózní třídy SAE je prováděno na základě měření viskozity u nového, nepoužitého oleje. Avšak již několik desítek hodin provozu může změnit viskozitu použitého oleje. Olej může intenzívním mícháním snížit svoji viskozitu nebo vlivem oxidace zvýšit svoji viskozitu. Změna viskozity může být i tak významná, že se olej dostane do jiné viskózní třídy SAE. To může mít velice nepříznivý dopad na trvanlivost zařízení, které je olejem mazáno. U kvalitních značkových olejů je toto riziko minimalizováno, protože výrobce je schopen zajistit stabilnější složení olejů než je tomu u výrobců neznačkových olejů [10]. Bez ohledu na to, jaký olej používáte, ideální viskozita, která zabezpečí ideální mazání a minimální spotřebu síly na překonání viskozity maziva je určena kombinací: • teploty • zatížení • rychlosti Výběr vhodné viskozity oleje závisí na jeho provozní teplotě. Čím je provozní teplota vyšší, tím vyšší musí být viskozita použitého oleje (jinak by došlo k neúměrnému ztenčení mazacího filmu a zhoršení mazání). Proto musí být například jednorozsahový olej SAE 30 nahrazen olejem SAE
Obrázek 7. Volba viskozity oleje [17]
Proto například vysokootáčkové motory vyžadují oleje s nižší viskozitou než nízkootáčkové motory. Některé oleje s vysokým viskózním indexem (vícerozsahové oleje u kterých se změnou teploty dochází pouze k malé změně viskozity) dokáží zabezpečit dobré mazání i při větším rozsahu změn teploty, zatížení a rychlosti a proto jsou univerzálnější a mohou být využívány ve větším množství aplikací.
5.2. Výkonnostní třídy olejů Tabulka 2 Výkonová specifikace průmyslových maziv [9] Obecná oblast použití-podle ČSN ISO 6743/0
Ztrátové mazací soustavy
Ozubené prevody Vřetena, ložiska a příslušné spojky Kluzná vedení Hydraulické systémy
Dočasná ochrana proti korozi
Aplikace vyžadující plastická maziva
Typové označení maziv a jejich skupin Strojní oleje nízkých užitných vlastností, ložiskové oleje s nízkými užitnými vlastnostmi, tmavé oleje (destiláty), oleje pro mazání otevřených ozubených převodů, drátěných lan, řetězů Průmyslové převodové oleje, oleje pro oběhové soustavy Strojní oleje, vřetenové oleje, ložiskové oleje s přísadami Oleje pro kluzná vedení, oleje pro vodící plochy Hydraulické oleje, hydraulické kapaliny s omezenou hořlavostí Konzervační oleje, konzervační prostředky, konzervační vazelíny, konzervační vosky Plastická maziva, mazací tuky, konzistentní maziva, vazelíny, pasty. Plastická maziva jednoúčelová, víceúčelová, speciální
fyzikálních vlastnostech (tab. 2). Proto hovoříme o motorových, převodových, hydraulických, potravinářských a dalších olejích. Kromě toho, že se olej řadí do jedné (nebo i více) výše zmíněných skupin, může mu být přidělena tzv. výkonnostní třída. Výkonností třída určuje, jaké zatížení je olej schopen snášet, aniž by výrazným způsobem došlo ke zhoršení jeho funkce [8]. První písmeno zpravidla značí zařazení oleje podle jeho hlavního způsobu použití dle normy ISO 6743 nebo DIN 51 502:
Symbol značení skupiny podle ISO 6743/0
Symbol značení skupiny podle DIN 51 502
A
AN, B
6. STANOVENÍ VLASTNOSTÍ PLASTICKÝCH MAZIV
C
C, HYP
F
C
Plastická maziva se používají k mazání nejrůznějších druhů ložisek a kluzných ploch. Obvykle se skládají ze základového oleje, aditiv a zpevňovadla. Plastická maziva se prodávají pod obchodními názvy, které přibližně popisují možnosti jejich použití: víceúčelové mazivo, mazivo pro vysoké teploty, tekuté mazivo, gelové mazivo, polyuretanové mazivo, bentonitové mazivo.
G
CG
H
H, HV, HF, ATF
R
R
X
K, G, OG, M
Pro každý olej stanoví výrobce oblast, ve které je vhodné olej používat. Oblast použití oleje je závislá především na jeho chemickém složení (složení základových olejů, obsahu aditiv) a z něj plynoucích
Zpevňovadlo je chemická přísada, která vytvoří houbovitou strukturu, ve které je olej uložen a v průběhu mazání je uvolňován mezi mazané plochy. Přidáním zpevňovadla do oleje přestane být olej kapalný a změní se v mast. Jako zpevňovadla jsou používány především soli lehkých kovů: Lithium, Sodík, Vápník, méně častěji soli Hliníku, Baria, Olova. Jako zpevňovadla jsou někdy používány i směsi solí (Lithium / Vápník). Rovněž existují zpevňovadla na odlišné bázi než jsou soli kovů gely, bentonity, polyuretany [13]. Konzistence plastických maziv je obdoba viskozity u olejů. Konzistence udává měkkost / tuhost maziva. Konzistence je normována prostřednictvím NLGI tříd 000, 00, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6. Čím vyšší číslo třídy, tím je mazivo tužší (tab. 3).
Tabulka 3 Značení plastických maziv [9] Znaky Význam oblast použití maziva K složení základového oleje a aditiva PF konzistence (tuhost) maziva – třída NLGI 2 maximální provozní teplota, odolnost proti K vodě minimální provozní teplota v °C -30 Mazání plastickými mazivy je výhodné z hlediska utěsnění ložisek proti nečistotě a vlhkosti a pro snadnou obsluhu. Většinou pro tento způsob mazání vyhovuje štěrbinové těsnění nebo plstěné těsnění [14]. V provozu nevyžadují plastická maziva žádnou zvláštní kontrolu, a proto se jich běžně užívá při normálních provozních podmínkách. Při první montáži se ložisko naplní plastickým mazivem. Prostory po obou stranách tělesa se mohou naplnit mazivem jen do poloviny, protože velké množství maziva by způsobilo zvýšení teploty, a tím i jeho předčasné znehodnocení. 7. SLEDOVÁNÍ STAVU A PODMÍNEK MAZÁNÍ STROJŮ V současných podmínkách neustále vzrůstají náklady na údržbu zařízení a na maziva. Správně fungující program údržby se opírá o rozbory hospodárností a o vliv, který na náklady mají potřebné náhradní díly, vynaložená práce, ztráty dané vypadkem zařízení a maziva [19]. Stává se nezbytností sledovat podmínky práce drahých strojů také na podkladě analýzy olejů a dosahovat tak nemalých finančních úspor. Historicky vzato, sledovalo oddělení údržby jednu ze tří níže uvedených strategií, byly to : • běh do poruchy • preventivní údržba • prediktivní údržba Strategie běh do poruchy spočívala na opravě nebo výměně částí až „dle potřeby“. Tehdy nebylo žádných periodických prohlídek a plánovaných
běžných nebo generálních oprav, dokud zařízení fungovalo. Strategie preventivní údržby byla založena na periodickém odstavení, prohlídce a výměně opotřebených dílů. Tyto akce byly většinou konány dle doporučení výrobce zařízení a na podkladě zkušeností z poruch, ke kterým v minulosti docházelo. Jednotlivé součásti, maziva, hydraulické oleje a filtry byly vyměňovány buď dle uběhlých pracovních hodin nebo např. dle ujetých kilometrů [14]. Základem moderní strategie údržby se stala v poslední době prediktivní údržba. Její program je založen na pravidelné analytické kontrole maziv, sledování vibrací a jiných parametrů umožňujících usuzovat na stav zařízení. Stav systému takto zjišťovaný umožňuje, aby se údržba týkala jen toho, co je zapotřebí provést. Blížící se možnost poruchy lze včas odhalit a v ranném stadiu odstranit. 7.1. Rozbor oleje Účinný program prediktivní údržby využívající pro sledování rozbor oleje, musí odtud umět zjišťovat jak stav stroje, tak stav maziv. Mazací olej souží jako médium, které unáší otěrové částice vytvořené opotřebením povrchů ložisek. Moderní program sledování zařízení na podkladě analýzy olejů je zobrazen na obr. 8. Vzorek nebo vzorky oleje pravidelně odebírané z různých míst v předepsaných intervalech jsou odesílány na rozbor do laboratoře [19]. Na základě rozboru se provede diagnóza a vypracované doporučení se zašle pracovníkovi, který za zařízení zodpovídá. Sledování podmínek činnosti dle analýzy olejů lze rozdělit do dvou kategorií: sledování otěrových částic a sledování kvality maziv (tab. 4). Při sledování otěrových částic se měří stopová množství částic, které se uvolňují z mazaných povrchů a jsou mazivem unášeny [13]. Sledování podmínek mazání se zabývá mazivem samotným, tj. zda jeho fyzikální a chemické složení vyhovuje pracovním potřebám.
Tabulka 4 Sledování otěrových částic a kvality oleje [19] ROZBOR OLEJE
STAV STROJE Otěrové částice
Minimální komponenty olejové laboratoře na klíč jsou znázorněny na obr. 9. Tato laboratoř je vybavena emisním RDE spektrometrem, infračerveným FTIR spektrometrem a automatickým viskozimetrem.
STAV MAZIV Fyzikální & chemické vlastnosti
Obrázek 9. Minimální složení olejové laboratoře [19]
Cílem programu prediktivní údržby na základě sledování provozních podmínek strojů pomocí rozboru olejů je snižování nákladů na údržbu, zvyšování dostupnosti a životnosti zařízení, snížení spotřeby maziv a zvyšování provozní jistoty [19]. 8. SHRNUTÍ
Obrázek 8. Program rozboru olejů [19]
7.2. Sestava olejové laboratoře V úplné olejové laboratoři se slučuje schopnost personálu, přístrojové vybavení a programové vybavení, jako servis oddělení údržby a vedení závodu. Personál tribologické laboratoře znalý technologie maziv a jimi sledovaného strojního zařízení, jsou zárukou dokonalého programu rozboru olejů.
Mazání strojů patří mezi nejdůležitější údržbářské práce. Bez mazání nemůže trvale pracovat žádný mechanismus. Mazivo a způsob mazání významně ovlivňují celkovou efektivnost strojů. Zároveň působí i na životní prostředí, protože nevhodným mazáním se maziva dostávají do půdy, vody i ovzduší. Působí zde tedy dvě protichůdné tendence: z pohledu práce strojů a jejich mechanismů by bylo vhodné mazat vydatně a často, z pohledu životního prostředí by bylo vhodné mazat málo a používat neškodná nebo málo škodlivá maziva [3].
PODĚKOVÁNÍ Poděkování patří hlavně p. Ing. Petr Dobešovi, CSc, který mi pomohl při hledání vhodné literatury a praktickými ukázkami. Musím také zmínit p. Prof. Ing. Mariána Dzimka, CSc., který poskytl pár rad k mému tématu.
LITERATURA [1] Dvořák Antonín: Mazací systémy, 2000 [2] Ing. Josef Jedlička, Ing. Milan Soukup, Údržba 21. století, pozn. : převzato z Technického týdeníku, 2002 [3] Pošta Josef, Mazání při údržbě strojů, 2004 [4] Richter O., Mazání obráběcích strojů, 1960 [5] Šafr Emil, Technika mazání, 1970 [6] Kotamuda H., Mazací soustava, 2005 [7] Petr Kozák, Multifunkční oleje pro obráběcí stroje, 2003 [8] URL: http://www.csmarketing.cz (on-line), 11. 4. 06 [9] URL: http://oleje.cz (on-line), 15. 4. 06 [10] Theo Mang and Wilfried Dresel, Lubricants and Lubrication, 2001 [11] Ing. Petr Dobeš, CSc., Multifunkční kapaliny pro obrábění [12] URL: http://www.bharatpetroleum.com (online), 18. 4. 2006 [13] C. Bruni, A. Forcellese, F. Gabrielli and M. Simoncini, Effect of the lubrication-cooling technique, 2005 [14] N.R. Dhar, M. Kamruzzaman and Mahiuddin Ahmed, Effect of minimum quantity lubrication (MQL) on tool wear and surface roughness in turning AISI-4340 steel, 2006 [15] URL : http://noria.com (on-line), 30. 3. 06 [16] Ing. Josef Hampl, Výrobní stroje a zařízení, 2002 [17] Ing. Petr Dobeš, Tribologie-přednáška 3, 2006 [18] Prof. Ing. Josef Pošta, CSc., Mazání strojů, 2000 [19] Malte X. Lukas & Daniel P. Anderson, Spectro Incorporated, Littleton, Massachusetts, USA, 2001
