Kenéstechnikai alapok Kisdeák Lajos, kenéstechnikai szolgáltatás vezető MOL-LUB Kft.

Átírás

1 Kenéstechnikai alapok Kisdeák Lajos, kenéstechnikai szolgáltatás vezető MOL-LUB Kft. Tel:

2 Kenéstechnikai alapok A kenőanyagok alkalmazásának célja A tribológia Súrlódás és kopás A szilárdtest-súrlódás jellemzése A folyadéksúrlódás Kenésállapotok A leggyakoribb kopásformák 2

3 A súrlódás Alapok A súrlódás általános természeti jelenség. Megjelenési formái változatosak: Szilárd testek közötti súrlódás Folyadékokban és gázokban jelentkező súrlódás Szilárd testek és folyadékok érintkezése során keletkező súrlódás A szilárd testek közötti súrlódás általában a felületek károsodásához pl. kopásához vezet. A súrlódás energiafajták közötti transzformációt eredményez: a mechanikai energia hőenergiává alakul. A folyamat irreverzibilis. A súrlódás a gépek alkatrészei között is jelentkezik. A hatása lehet káros, vagy hasznos. A súrlódás káros, ha energiaveszteséget okoz. A súrlódás hasznos, ha energia- illetve erőátvitelt valósít meg, vagy egyéb okok miatt elengedhetetlen technikai berendezéseink működéséhez. 3

4 A kenőanyagok alkalmazásának céljai A súrlódás és kopás csökkentése Az alapvető cél: a szilárd testek közötti súrlódás kiküszöbölése Ha a szilárd testek felületei között folyadékfilmet kenőfilmet hozunk létre, a súrlódási veszteségeket lényegesen lecsökkenthetjük. Gépeink hatásfoka megnövekedik. Az egymással nem érintkező felületek csak minimális mértékben kopnak Ha nem alakul ki kenőfilm, kopásra kell számítani. A kenőanyagot fel kell készíteni a kopás csökkentésére (EP/AW adalék) EP: Extreme Pressure AW: Antiwear A valóságos gépek túl bonyolultak ahhoz, hogy a kopást teljesen kiküszöböljük. 4

5 A kenőanyagok alkalmazásának céljai Hőenergia elvezetés A gépekben a bennük lejátszódó fizikai folyamatok pl. égésfolyamat a belsőégésű motorokban és a súrlódási veszteségek miatt hőenergia keletkezik A felesleges hőenergiát el kell vezetni. Szivattyú (piros) és turbina (kék) Volvo retarder Retarder: központi hidrodinamikus fékberendezés közúti nehéz haszonjárművek (autóbuszok, kamionok) számára A hidrodinamikus fék munkafolyadéka (ATF, Automatic Transmission Fluid) ) esetenként 100 kw-nál is több energiát közvetíthet a környezet felé. 5

6 A kenőanyagok alkalmazásának céljai A kopásrészecskék és szennyezőanyagok eltávolítása, a felületek tisztán tartása Olaj- és szűrőcserék alkalmával a szennyezőanyagokat el kell távolítani. Ennek érdekében: A szilárd szennyező részecskéket (kopásrészecskék, külső szennyezők) lebegésben (diszperz állapotban) kell tartani, hogy azok eljuthassanak a szűrőig, vagy távozhassanak az olajtöltettel diszpergens hatás Meg kell akadályozni, hogy az iszapképzésre hajlamos anyagok pl. az olaj saját degradációs termékei bevonatot képezzenek a felületeken detergens hatás Erősen lerakódott felület, rossz DD (detergensdiszpergens) hatású olaj Jó DD hatás 6

7 A kenőanyagok alkalmazásának céljai Korrózióvédelem A gépalkatrészek felületei sok esetben agresszív, korrozív hatású közegek hatásának vannak kitéve A kenőanyagnak el kell látnia a korrózióvédelem feladatát 7

8 A kenőanyagok alkalmazásának céljai Összefoglalva: A kenőanyagok alapvető feladatai Az egymáson elmozduló felületek szétválasztása, súrlódás- és kopáscsökkentés Hőenergia elvezetés A kopásrészecskék és szennyezőanyagok eltávolítása, a felületek tisztántartása Korrózióvédelem

9 A kenőanyagok alkalmazásának céljai A kenőanyagok súrlódási tulajdonságait optimálni kell A gördülőcsapágyakban jelentkező súrlódás energiaveszteséget okoz, tehát káros. Milyen mértékig csökkenthetjük? Hibrid jármű automatikus hajtóműve. Ezek a tengelykapcsoló-tárcsák a súrlódás segítségével közvetítik a nyomatékot. Itt tehát a súrlódás hasznos, és elengedhetetlen. (Forrás: Chrysler) 9

10 Kenéstechnikai alapok A tribológia A tribológia szilárd testek egymással, valamint folyadékokkal és gázokkal való érintkezése során tapasztalt jelenségekkel foglalkozó tudományterület Célkitűzései Az egymáson elmozduló szilárd testek érintkezése során lejátszódó folyamatok vizsgálata, tervezése és alkalmazása A legjobb konstrukciós kialakítások keresése A legjobb felületi kialakítások keresése (nem a lehető legkisebb felületi érdesség elérése) A súrlódás optimálása (nem a lehető legkisebb súrlódás elérése) A kopások csökkentése Az érintkezésben részt vevő anyagok tulajdonságainak helyes megválasztása A tribológiai folyamatokban fontos feladatokat kapnak a kenőanyagok 10

11 Kenéstechnikai alapok A tribológia szerepkörének bővülése az utóbbi fél évszázadban A tribológia legmarkánsabban a járműiparban a szén-dioxid kibocsátás csökkentésének szolgálatába állt. 2 1 Gazdasági előnyök kiaknázása Jobb technikai megoldások keresése 1966 Jost report 1997 Kyoto protocol Az átmenetek természetesen nem voltak élesek, a feltüntetett dátumok csupán orientáló jellegűek 11

12 Kenéstechnikai alapok Súrlódás és kopás A szilárdtest-súrlódás A szilárdtest súrlódás természetének közelítő leírására általában az ún. Coulomb törvényt alkalmazzák: F s = μ F n ahol F s a súrlódási erő [N], F n a felületeket összeszorító normál erő [N], μ a súrlódási együttható. A súrlódási együttható a felületek anyagának és morfológiájának (felületi érdességének, az érdesség irányultságának, stb.) függvénye. A súrlódási erő független az érintkezési felület nagyságától. A súrlódási erő létrejöttének alapvetően két oka van: A felületi érdesség csúcsainak deformálása Az érintkezési pontokban kialakuló adhéziós erők. Ha az érdesség mértéke kicsi, az adhéziós erők dominánsak. Erősen érdes felületek érintkezése esetén az érdesség-csúcsok deformációja kerül előtérbe. 12

13 Kenéstechnikai alapok Súrlódás és kopás A szilárdtest-súrlódás A túl érdes felület nem előnyös, mert az érdesség-csúcsok nagymértékű képlékeny alakváltozása növeli a súrlódási tényezőt és a kopást. A túl sima felület nem előnyös, mert a tényleges érintkezési felület növekedése miatt nagy területen alakul ki adhéziós kapcsolat a felületek között, tehát a súrlódási tényező nagy lesz. A valóságos fémfelületeken mindig találhatók kémiai rétegek, amelyek jelentősen lecsökkentik az adhézió érvényesülésének lehetőségét 1. Adszorbeált molekulákkal borított oxid-réteg (szulfát-réteg, foszfát-réteg, stb.) 2. Fém-oxigén szilárd oldat 3. Alakított réteg 4. Alapfém Könnyen leváló rétegek esetén erős kopásra kell számítani Példa a gépelemeken kialakuló felületi rétegekre 13

14 Súrlódási tényező, μ Kenéstechnikai alapok Súrlódás és kopás A szilárdtest-súrlódás Rugalmas alakváltozás Képlékeny alakváltozás Érdesség paraméter, Δ Az érdesség függvényében a súrlódási tényezőnek minimuma van. Nem lehet érdekünk az érdesség minden határon túl történő csökkentése. A cél a megfelelő felületi paraméterek kialakítása pl. lézerhónolással. 14

15 Kenéstechnikai alapok Súrlódás és kopás Hónoló tüske Lézermegmunkáló (hónoló) berendezés az Audi Motor Hungária Kft-nél Forrás: Széchenyi István Egyetem 15

16 Kenéstechnikai alapok Súrlódás és kopás Olajmegtartó hornyok Belsőégésű motor lézermegmunkáló berendezéssel kialakított hengerfelülete. A felső holtpont közelében más jellegű felület kedvező. Forrás: Széchenyi István Egyetem 16

17 Kenéstechnikai alapok Kenéstechnikai alapok Súrlódás és kopás A szilárd testek felületei között jelentkező súrlódás szinte mindig kopáshoz vezet. A súrlódás és a kopás közötti kapcsolat nem egyértelmű: kis súrlódás is eredményezhet erős kopást, és nagy súrlódás mellett is lehetséges minimális kopás. A kopás megelőzésének legeredményesebb módja a szilárd felületek érintkezésének megakadályozása. Vajon ez mindig lehetséges? A valóságos gépek túl bonyolultak ahhoz, hogy a kopást teljesen kiküszöböljük. 17

18 Miért érdekes számunkra ez a kép? Az érdekel bennünket, ami itt történik

19 Kenéstechnikai alapok Ez több, mint hasonlóság A vízisí és a forgó csap egyaránt a folyadékban keletkező nyomás hatására marad fenn. A siklócsapágyat azért kenjük, hogy a csap és a furat felületei ne érintkezzenek. 19

20 Kenéstechnikai alapok A felületek szétválasztása, kenőfilm kialakítása A kenőfilm kialakulásának feltételei: Megfelelő nagyságú relatív sebesség a felületek között. Kis sebesség mellett a vízisí is elsüllyed A kenőanyag (relatív) áramlási sebessége irányában csökkenő keresztmetszet A vízisí esetében ehhez megfelelő állásszög szükséges, a siklócsapágynál megfelelő csapágyhézagot kell biztosítani. A kenőfilm kialakulásának előnye A szilárd testek súrlódását folyadéksúrlódás váltja fel. A súrlódási energiaveszteség általában nagymértékben lecsökken. Kivételek lehetségesek: pl. nagy fordulatszámú tengelyek Szilárd test súrlódás: F s = μ F n Folyadék súrlódás: τ ~ η (dv/dx)* ahol: τ a folyadékfilmben keletkező csúsztatófeszültség, N/m 2. η a folyadék dinamikai viszkozitása, mpa s. A viszkozitás a kenőanyag fizikai jellemzője. dv/dx (nyírási sebesség) a sebesség hely szerinti differenciál-hányadosa (gradiense) a sebesség vektorra merőleges irányban. * Newtoni folyadék esetén τ = η (dv/dx) 20

21 Kenéstechnikai alapok A felületek szétválasztása, kenőfilm kialakítása Kenőfilmnem alakul ki, ha A gépelemek közötti relatív sebesség kicsi Jellemző példa: belsőégésű motor indítási folyamata A gépelemek geometriai kialakítása kedvezőtlen Jellemző példa: Vezérműtengely és szelepemelő tőke kapcsolata A kenőfilm kialakulásának feltételei rosszak, a fémes érintkezés nem küszöbölhető ki. Kopáscsökkentő olaj-adalékot kell használni. 21

22 Kenéstechnikai alapok A tribológiai teljesítmény Kifejezi, hogy két kapcsolódó gépalkatrész milyen eredménnyel áll ellen a károsító hatásoknak Kialakul kenőfilm, vagy nem? Elősegíthető-e a kenőfilm kialakulása geometriai vagy kinematikai változtatásokkal, vagy a felületek jellemzőinek változtatásával? Ha nem alakul ki kenőfilm, elegendő-e a kenőanyag kopásvédelme? Ha a kenőanyag kopásvédelme nem elegendő, megfelelő tulajdonságokkal rendelkeznek-e a gépelemek szerkezeti anyagai? Manapság a tribológiai teljesítmény megítélésének szempontja az is, hogy a gépelemek illetve gépek milyen energiaveszteség mellett látják el funkcióikat. A tribológiai teljesítmény hiánya komoly meghibásodások okozója lehet 22

23 Kenéstechnikai alapok A folyadéksúrlódás csökkentésének korlátai A súrlódási veszteség csökken, ha csökkentjük a viszkozitást. A viszkozitás csökkenésével csökken a kenőfilm vastagsága. Változatlan geometriai és kinematikai feltételek mellett emiatt növekedik a kenőfilmben a sebesség-gradiens. A súrlódási veszteség tehát nem csökken a viszkozitás csökkentésének mértékében. A viszkozitás-módosító adalékot tartalmazó kenőanyagok esetében a kenőfilmben a speciális körülmények között mért HTHS (High Temperature High Shear) viszkozitás értéke mérvadó. A kisebb kenőfilm vastagság dinamikus terhelés esetén növeli a fémes érintkezés kockázatát. A kockázat csökkenthető a gépelemek rugalmas deformációjának csökkentésével (nagyobb átmérőjű tengelyek, vastagabb falú öntvények alkalmazása). Az ilyen megoldás ellentétben áll a méret- és súlycsökkentési törekvésekkel. A kisebb kenőfilm vastagság nagyobb gyártási pontosságot, és kopásálló anyagok alkalmazását követeli meg. Ugyanolyan mértékű kopás kisebb kenőfilm vastagság esetén nagyobb relatív változást jelent. 23

24 Kenésállapotok A siklócsapágyakban kialakuló kenésállapot a fordulatszám függvénye Nyugalmi állapot, szilárdtest érintkezés Kis fordulatszám, határ- vagy vegyeskenés állapot A csap középpontja a fordulatszám függvényében vándorol. Nagy fordulatszám, hidrodinamikai, vagy elasztohidrodinamikai kenésállapot 24

25 Kenésállapotok Határkenés állapot Folyamatos szilárdtest-érintkezés. Az érdesség-mélységekben kenőanyag van, ami rontja az adhéziós kapcsolatok kialakulását. Kedvezőtlen esetekben mégis kialakulhat drasztikus adhéziós kopás, emiatt kopáscsökkentő adalék használata szükséges. A leggyakrabban használt kopáscsökkentő adalék a cink-dialkil-ditio-foszfát (ZDDP), jelenleg még nincs versenyképes alternatívája. A felületeken cink-foszfát réteget képez, gátolja az adhéziós kapcsolatokat. Magas hőmérsékletű kémiai reakciók során különösen víz jelenlétében korrozív vegyületeket képez. Emiatt a motorolajok csereperiódusát nem csak a futásteljesítmény függvényében, hanem időben is korlátozni kell. A cinkfoszfát bevonat súrlódási tényezője magas (0,11 0,14). Magasabb, mint acél-acél kapcsolat esetén lenne. A foszfortartalom káros hatással van a katalizátorokra. ZDDP által képzett bevonat 25

26 Kenésállapotok Határkenés állapot A súrlódási veszteségek csökkentésének lehetőségei Kenőolaj segítségével Alacsonyabb súrlódású tribofilmet (bevonatot) létrehozó adalékolás Nanotechnológiai megközelítés: súrlódáscsökkentő adalékok használata, komplex, önszerveződő tribofilm kialakulásának biztosítása (felületmódosítás) Más lehetőségek A kenőfilm kialakulásának elősegítése a felületek morfológiájának módosításával Az adhéziós kapcsolatok gyengítése a szerkezeti anyagok megválasztásával vagy felületi bevonatok alkalmazásával Mechanikai és kinematikai optimálás (a tömegerők csökkentése, a sebességek növelése, stb.), downsizing A geometriai kialakítás módosítása (pl. MCE motor) Detergens adalék Kopáscsökkentő adalék Harc a felületért Korróziógátló adalék Súrlódáscsökkentő adalék 26

27 Kenésállapotok Vegyes kenésállapot A határkenés állapot és a tiszta folyadékkenés közötti átmenetet jelenti. Hidrodinamikai kenésállapot A felületeket teljesen szétválasztja a kenőfilm, gyakorlatilag nincs kopás Elasztohidrodinamikai kenésállapot A hidrodinamikai kenésállapot egyik válfaja A kenőanyagfilm vékony, az erő átadása kis felület mentén történik A kenőfilmben uralkodó nyomás nagy, felületek rugalmasan deformálódnak A nagy nyomás miatt növekedik a kenőolaj viszkozitása A deformáció a felületek fáradásos károsodásához vezethet A fáradásos károsodás jelei belsőégésű motor csapágyain 27

28 Határkenés állapot Súrlódási tényező Vegyes kenésállapot Kenésállapotok A Stribeck diagram Szelepvezérlés Itt az adalékok fontosak Dugattyúgyűrűk Gördülőcsapágyak, hajtóművek Siklócsapágyak, kis terhelésű hajtóművek Hidrodinamikai kenésállapot Elasztohidrodinamikai kenésállapot Itt a viszkozitás fontos Minimális kopás Erős kopás Olajfilm vastagság/felületi érdesség 28

29 Kenésállapotok A Stribeck diagramból levonható következtetések A szelepvezérlés kenésállapota alig lép ki a határ- illetve vegyes kenés állapotából. A szilárdtest érintkezés miatt kopáscsökkentő motorolaj-adalék alkalmazása szükséges. Hagyományos összetételű motorolajok esetében a súrlódási veszteség nagy. A dugattyúgyűrűk és a hengerfal kenési állapota minden tartományt átölel. Kopáscsökkentő adalék szükséges. Magas viszkozitású motorolaj használata mellett a súrlódási veszteség nagy. A siklócsapágyak az elasztohidrodinamikai és a hidrodinamikai kenésállapot tartományában működnek. Az elasztohidrodinamikai tartományban fennáll a csapágyak fáradásos károsodásának veszélye. Mágneses erőtér hatására sorba rendeződött kopásrészecskék mikroszkópos képe 29

30 A részecskék száma Kopásformák A kopásrészecskék számának és méretmegoszlásának változása egy gép elhasználódása során Katasztrofális tönkremenetel Kifejlett meghibásodás Rendellenes kopás Normál kopás 0,1 1, A kopásrészecskék mérete, μm 30

31 Kopásformák Abráziós kopás Karcoló, forgácsoló hatás következtében jön létre Két-test abrázió Lágy anyag Kemény anyag Két-test abrázió esetén a kemény anyagból készült test karcolja, forgácsolja a lágy felületet. Három-test abrázió esetén a lágy anyagból készült felületbe ágyazódott kemény abrazív részecske forgácsolja a kemény felületet. Két-test abrázió Három-test abrázió Három-test abrázió Kemény anyag Lágy anyag Beágyazódott kemény részecske Ferrográfiás felvételek 31

32 A folyamat iránya Kopásformák Adhéziós kopás Mikro-hegedések Ha az érintkező alkatrészek anyaga azonos, vagy közel azonos, a szilárdtest-érintkezés esetén keletkező erős adhéziós erők hideg mikro-hegedéseket hoznak létre. Az egyik alkatrészben a kristálysíkok mentén megcsúszások jönnek létre. A folyamat egy anyagrész leválásához vezet. A felhegedt részecske később általában leválik. Lehet, hogy csak egy, vagy néhány réteg válik le Adhéziós kopásrészecske ferrográfiás képe 32

33 A folyamat iránya Kopásformák Fáradásos kopás (pitting) Ismétlődő igénybevétel hatására a rácshibák mentén gyakran a felület alatt repedések keletkeznek. A repedések terjedésével anyag-darabkák válnak le. Rácshiba (diszlokáció) Pitting Kopásrészescke A pittingesedés a gördülőcsapágyak élettartamának végét jelenti 33

34 Kopásformák Fáradásos kopás (pitting) A pittingesedés kenőanyaggal alig befolyásolható Deformáció Nyomáskép a kenőfilmben Gördülőtest Elasztohidrodinamikus kenésállapotban a felületek a kenőfilmben kialakuló nagy nyomás hatására deformálódnak. A folyamatos rugalmas deformáció hatására bekövetkezik a fáradásos kopás Kenőanyag Deformáció Forrás: SKF Csapágy belső gyűrű 34

35 Kopásformák Fáradásos kopás (pitting) A fáradásos kopás a fogaskerekeket is veszélyezteti Erős pitting mozdony hajtóművében Hajtó fogaskerék Hajtott fogaskerék Forrás: MÁV Zrt. 35

36 A folyamat iránya Kopásformák Kavitációs kopás Mozgó folyadékban nyomáscsökkenés hatására gőzbuborékok keletkeznek. A buborékok magasabb nyomású helyre érve rendkívül gyorsan kondenzálódnak. Ha egy buborék összeroppanása aszimmetrikus, mikrosugár keletkezik. A mikrosugár roncsolja a fémfelületeket (erózió). A buborékok összeroppanása nyomáshullámokat kelt, amelyek szintén felületkárosító hatásúak (fáradásos károsodás). A mikrosugár eróziót okoz 36

37 Kopásformák Kavitációs kopás Egy egyszerű fogaskerék-szivattyúban létrejöhet kavitáció Folyadék belépés Belső tömítés Folyadék kilépés Belső tömítés 37

38 Kopásformák Kavitációs kopás 1 Az 1 jelű tér gyorsan növekedik. A folyadék a 2 jelű résen keresztül áramlik az 1 jelű térbe. Mivel a 2 jelű rés még nagyon kicsi, a 2 jelű térben a nyomás lecsökken, és a 3 helyen gőzbuborékok keletkeznek. A 4 jelű rés már elegendően nagy, a nyomás megnövekszik, az 5 jelű helyen a buborékok kondenzálódnak Kavitációs károsodás 38

39 Kopásformák További kopásformák Eróziós kopás Szilárd falhoz ütköző részecskék okozzák. Főleg szilárd részecskéket tartalmazó közegek csővezetékekben szállításakor jelentkezik. A falnak ütköző szilárd részecskék nagy mozgási energiájuknál fogva részecskéket szakítanak ki a felületekből. Súrlódási korrózió (fretting) Egymással érintkező felületek rezgése váltja ki. A kis amplitúdójú elmozdulásokat erős oxidáció kíséri, amelynek során fekete- vagy vörös-oxid részecskék keletkeznek. Fekete- és vörös-oxid részecskék ferrográfiás felvételei 39

40 Kopásformák Kilépés Kis részecskék Csatorna Belépés Nagy részecskék Olajminta Tárgylemez A kopásrészecskék vizsgálata hagyományos ferrográf készülékkel Olaj belépés Ferrogram készítés A kopásrészecskék az olajjal együtt gravitációs és mágneses erőtérben mozognak. Miután a részecskék nyugalomba kerültek, az olajat oldószerrel eltávolítják. Az olaj folyásának iránya Nagy részecskék Kis részecskék Mágnes Gyenge mágneses hatás Erős mágneses hatás 40

41 Kopásformák A kopásrészecskék vizsgálata hagyományos ferrográf készülékkel Milyen anyagból lehet ez a kék színű részecske? Acélból, csak hőkezelték. A részecskék vizsgálatára használt mikroszkóp (ferroszkóp) is sok lehetőséget nyújt: Alsó vagy felső megvilágítás, színszűrők alkalmazása, poláros fény használata, stb. 41

42 Köszönöm a figyelmet