Mazání plastickým mazivem a trvalá udržitelnost

Výzkumné a vývojové činnosti skupiny SKF jsou zaměřeny na podporu vývoje výrobků v oblasti ložisek a těsnění, které vyžadují dokonalé pochopení mazání plastickým mazivem, protože většina případů selhání ložisek je způsobena nesprávným mazáním.

Dokonalé ložisko by bylo ložisko bez maziva. Mazivo je však nutné k oddělení valivých těles od oběžných drah, aby nedošlo k poškození vlivem mikroprokluzování. Ideálním médiem k tomuto účelu je kapalina, která dokáže přenášet smyková napětí s nízkými třecími ztrátami a může znovu zaplavovat povrchy v ložisku (samočinné obnovení).

Plastické mazivo má omezenou životnost, která je všeobecně kratší než únavová trvanlivost ložiska. K dispozici jsou sice výpočtové modely trvanlivosti ložiska, avšak vzhledem k tomu, že životnost plastického maziva má často rozhodující vliv na provozní trvanlivost ložiska, je velmi potřebný model životnosti plastického maziva. Naneštěstí mazání plastickým mazivem je tak složitý proces, že v současné době není k dispozici fyzikální model pro předpovídání životnosti plastického maziva. Skupina SKF však vyvinula empirický model, který umožňuje vypočítat životnost (nebo domazávací interval) plastického maziva dobré kvality.

SKF doporučuje mezní provozní teploty, které se nacházejí mezi standardizovanými mezními teplotami. V oblasti doporučených mezních provozních teplot, tj. v zeleném pásmu podle SKF koncepce dopravního semaforu, pracuje plastické mazivo spolehlivě a je možné stanovit jeho životnost (a domazávací interval). Teploty ve žlutém pásmu na obou stranách zeleného pole by měly působit pouze velmi krátce. Vlivem času, teploty, mechanickým namáháním a vnikáním nečistot se vlastnosti plastického maziva v ložisku postupně zhoršují a mazivo ztrácí své mazací schopnosti. Pokud je dodatečně doplňována počáteční náplň plastického maziva, jímž je naplněno ložisko při montáži, lze dosáhnout požadované provozní trvanlivosti. Při domazávání ovlivňují spolehlivost tři faktory: typ a množství plastického maziva a frekvence domazávání. Dodávané množství a frekvence domazávání závisí na provozních podmínkách a způsobu přívodu maziva – ruční či automatickou maznicí anebo mazacím systémem. Tyto znalosti byly uplatněny v expertních systémech: LubeSelect, LuBase a DialSet, které jsou k dispozici na internetu.

Pochopení fyzikálních a chemických procesů při mazání plastickým mazivem má zásadní význam pro předpovídání výkonnosti plastického maziva v ložisku. Testování plastického maziva za konkrétních provozních podmínek je zpravidla nemožné, protože aplikace je navržena pro dosažení velmi dlouhé trvanlivosti, což by se projevilo nepřijatelně dlouhými dobami testování. V praxi jsou voleny mnohem náročnější zkušební podmínky (např. vyšší teploty a/nebo vyšší otáčky), než se vyskytují v aplikaci. Navíc jsou v zařízeních pro testování životnosti plastického maziva používána standardní ložiska, která se liší od ložisek příslušné aplikace. Výkonnost plastického maziva závisí nejen na jeho vlastnostech, ale i na vnitřní geometrii příslušného typu ložiska. I u jednotlivých typů ložisek se projevuje závislost na vnitřní geometrii především vlivem vnitřních rozměrů, řešení utěsnění, uspořádání a materiálu klece. Znalost fyziky a chemie procesů probíhajících v plastických mazivech však umožňuje extrapolovat zkušební výsledky na podmínky, pro něž nejsou k dispozici zkušební údaje.

V počáteční fázi chodu ložiska se plastické mazivo rozlévá. Většina plastického maziva se hromadí vedle oběžných drah a část zůstává uvnitř tzv. oblasti převalování. Podle předpokladů vytvoří plastické mazivo mazivový film, tak, že v ložiscích vytváří elastická deformace komponentů, které jsou ve styku, příznivou vstupní geometrii pro vznik filmu a tento jev se nazývá elasto-hydrodynamické mazání (EHL). Tato technologie je dobře propracována pro mazání olejem, ale nikoli pro mazání plastickým mazivem, při němž je tloušťka filmu ovlivněna dostupností maziva na oběžných drahách (všeobecně označované jako EHL s nedostatečným množstvím maziva – starved EHL) a částicemi zahušťovadla.

Proces mazání plastickým mazivem není deterministický. Dochází ke statistické distribuci chyb, což dále ztěžuje předpovědi. SKF využívá teorie Weibullovy statistiky, kterou používá k vyhodnocení zkušebních údajů o trvanlivosti ložiska a životnosti plastického maziva.

Pro předpovídání životnosti plastického maziva v ložisku vyvinula skupina SKF zkušební zařízení, která jsou používána v celém odvětví. Jsou to již známá zkušební zařízení R0F (pro kuličková ložiska) a R2F (pro soudečková ložiska). Zkušební zařízení R0F prošla modernizací (R0F+), která zvýšila jejich flexibilitu z hlediska nastavení otáček, zatížení a teploty. Velký počet zařízení R0F a R0F+ pracuje ve výzkumném a vývojovém středisku a umožňuje současně provádět až 140 testů.

Kromě testování životnosti plastického maziva se provádějí také funkční testy zaměřené na rozběhový moment, tření, odolnost proti korozi, vibrace (V2F), hlučnost plastického maziva (BeQuiet+) apod. Na vyhodnocení zkušebních výsledků se podílí i dobře vybavená chemická laboratoř.

Několik příkladů ukazuje, jak pochopení procesu mazání plastickým mazivem ovlivňuje vývoj nových výrobků včetně nové generace energeticky účinných ložisek SKF. Kuličková ložiska SKF E2 dosahují třecích ztrát, které jsou o 30 a více procent nižší ve srovnání se standardními ložisky SKF odpovídající velikosti. Ložiska SKF E2 vyvinutá pro aplikace mazané plastickým mazivem navíc spotřebovávají méně maziva.

Porovnání životnosti plastického maziva ve standardním ložisku a v energeticky účinném ložisku SKF E2 ukazuje, že životnost plastického maziva se zdvojnásobila, a tedy se efektivně zdvojnásobila provozní trvanlivost ložiska. Snížení tření lze přisoudit zlepšenému mazání plastickým mazivem, tedy zvláštnímu plastickému mazivu ve spojení se zdokonalenou vnitřní geometrií a novou konstrukcí klece. To je dobrý příklad toho, jak se vývoj plastického maziva stal součástí konstrukce ložiska.

Nové plastické mazivo pro ložiska lopatek a otočů větrných turbín s vynikajícími vlastnostmi zabraňujícími falešnému brinellování mohlo vzniknout, až když skupina SKF vyvinula vlastní zkušební zařízení a metodu pro falešné brinellování.

Při částečném prokluzu je oscilace tak malá, že střed Hertzova styku zůstane stát a k prokluzu dochází pouze na okrajích místa styku. K velkému prokluzu dochází, jestliže oscilace jsou tak velké, že i střed styku klouže. Styková koroze typicky vzniká v případě, že oscilační pohyby jsou malé a tvrdé částice otěru nejsou z místa styku odstraněny mazivem. Plastické mazivo SKF LGBB 2 se vyznačuje vynikajícími vlastnostmi, které zajišťují ochranu proti stykové korozi, a může být použito i pro velké oscilace. Plastické mazivo pracuje spolehlivě při nízkých teplotách a vykazuje dobré protikorozní vlastnosti, a tedy je velmi vhodné pro uložení lopatek a otočů větrných turbín.

Pro papírenské stroje vyvinula skupina SKF mazivo zahuštěné polymery neboli polymerové plastické mazivo, v němž je běžné mýdlo nahrazeno polymerem. Polymer je nepolární, takže mýdlo se „nepřetahuje“ s kovovým povrchem o přísady. Běžné plastické mazivo se skládá z 10–20 % kovového mýdla použitého jako zahušťovadlo (polární) a 80–90 % základní olejové složky včetně přísad. Mazivo zahuštěné polymerem obsahuje 10–13 % polypropylenu (PP), který je nepolární, a 87–90 % oleje včetně přísad. Jedinečný postup výroby plastického maziva s polymerovým zahušťovadlem je založen na inovativním způsobu ohřívání a rychlého ochlazování polymeru, který je rozpuštěn v oleji. Výsledkem je trojrozměrné zesítění, které zajišťuje, že polymerové mazivo pracuje stejně jako „běžné“ plastické mazivo s kovovým mýdlem. Na zkušebním zařízení R0F byla zjištěna dlouhá životnost i v případě, že neobsahovalo žádné přísady, což znamená, že je ekologičtější, a navíc dosahuje delších provozních intervalů. To se projeví nižší spotřebou plastického maziva. Nové polymerové plastické mazivo se vyznačuje vynikající výkonností při nízkých teplotách a při jeho výrobě je spotřebováno méně energie.

Požadavky na plastické mazivo pro ložiska hlavní hřídele větrných turbín vycházejí z náročných podmínek – mazivo musí být naprosto spolehlivé při velkém zatížení v místě styku, při nízkých otáčkách a v provozních podmínkách, pro něž je typické střídání kývavých pohybů a klidu. Další nároky souvisejí s prostředím, protože větrné turbíny bývají umístěny v pobřežních oblastech a vystaveny nízkým teplotám. Skupina SKF vyvinula tři druhy plastických maziv pro uložení hlavní hřídele větrných turbín. Tabulka 1 ukazuje jejich vlastnosti. Všechna tři plastická maziva jsou běžně používána a schválena OEM výrobci větrných turbín. Volba konkrétního plastického maziva závisí na typu těsnění, provozních podmínkách a prostředí.

SKF nabízí komplexní zákaznická řešení pro uložení hlavní hřídele, která zahrnují plastická maziva, tělesa, těsnění, uspořádání ložisek, mazací systémy, pojistné matice, montážní služby, maziva a analýzy, jakož i bezdemontážní diagnostiku.

A. Begg, P. M. Lugt, F. C. M. Fiddelaers

SKF Ložiska
www.skf.cz
samkova@seteva.cz