Tribotechnická diagnostika Technický stav oleje, otěry strojních částí
Tribologie Tribologie je nauka o procesech tření, opotřebení a mazání. 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) 1 – základní těleso 2 – protikus 3 - mezilátka 4 – prostředí
4 2 3 1
Vlastnosti prvků ( P) Látkové a tvarové vlastnosti prvků 1, 2, 3, 4 Vzájemné interakce (R)
(4) (3) (1)
(2)
Charakteristika tribologického systému Vstupy nechtěné (teplo, vibrace, materiály-nečistoty, ...) Vstupy Pohyb Práce Materiál Informáce
Výstupy užitečné
Struktura systému
Pohyb Práce Materiál Informáce
Výstupy ztrátové (tření, teplo, opotrebení, vibrace, akustické projevy, ...)
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 uvedené čisté 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 vytrhávání částic materiálu adhezívními silami
• Abrazivní – oddělování částic za užití vnějších částic nebo tvrdšího povrchu součásti
• Erozivní – oddělování částic a poškozováním součásti částicemi nesenými v proudu vzduchu nebo kapaliny
• Kavitační – oddělování částic vlivem kavitačních procesů v látkách v • •
kapalném stavu Únavové – cyklické kontaktní namáhání součástí, kolísání smykových napětí, vznik jamek (pitting - mazivo) Vibrační – oddělování částic 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 schopností čističe zachytávat částice větší 10 µm. Zbytky paliva v motorovém oleji způsobují snížení viskozity, které se však mnohdy subjektivně nepozná, protože pevné částice 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. Prachové částice 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. Měkké částice 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 p řípustná hodnota – 150 °C (není již zaru čeno 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
Zvýšené opotřebení vedoucí k obnově
t - doba provozu
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 otěrové částice – více jak 15 µm (AL – plocha pokrytí) • malé otěrové částice – 1 až 2 µm (AS – plocha pokrytí) • index intenzity opotřebení Iio •
Iio = AL2 - AS2 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 Režim práce stroje
Produkt
normální práce stroje
malé ploché částice – stálé množství
počátek většího opotřebení
větší L:S
náhlá porucha abrazívního opotřebení
skokový nárůst L:S (tvar smyček, spirál)
progresivní abrazívní opotřebení
zvýšený počet charakteristických částic
opotřebení v třecích plochách – normální provoz
plošné, destičkové částice
styk kov – kov
více oxidů
stav před poruchou – silné opotřebení
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 abrazívních částic ve stopě ferografu značí neodvratnou havárii). Při záběhu vznikají také částečky 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) Únavové částice – 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 Korozívní částice – následek chemických reakcí v oleji (zelený okraj, červený střed)
9
Katastrofické částice a částice mezního opotřebení • velké trojrozměrné částice 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) normální opotřebení
koncentrace částic
záběh
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
