ÜZEMFENNTARTÁSI TEVÉKENYSÉGEK 3.03 5.27 Fogaskerék-hajtóművek kenése Dr. Kozma Mihály, egyetemi tanár BME Gépszerkezettani Intézet Tárgyszavak: fogaskerék-hajtómű; kenés; kenőolaj; kenőolaj-vizsgálat; hajtóműolaj. A hajtómű a munkagép hajtásrendszerének fontos eleme, amely átalakítja az energiát szolgáltató hajtómotor üzemi paramétereit (fordulatszámát és nyomatékát) a munkagép igényeinek megfelelően. A villamos, hidraulikus és pneumatikus hajtások mellett a fokozott igénybevételű berendezésekben még ma is a legtöbb helyen mechanikus hajtóműveket használnak, amelyek teherbírása, élettartama és megbízhatósága döntő mértékben függ kenésük hatékonyságától, amit a kenőanyag és a kenési mód határoz meg. A gép gazdaságos üzemeltetésének egyik fontos tényezője a karbantartás szerves részét képező ésszerű kenésgazdálkodás, amelynek célja a leghatékonyabb kenésállapot folyamatos fenntartása a gép tartósan megbízható működése érdekében. Itt mérlegelni kell a kenőanyag kiválasztását, a kenés hatékonyságának folyamatos fenntartását, a kenőanyag élettartamának növelését stb. Bevezetés Bár egyre szélesebb körben igyekeznek közvetlen kapcsolatot létesíteni a hajtómotor és a munkagép között, és ezzel kiküszöbölni a mechanikus hajtásokat, a nagy terhelésű munkagépek működtetéséhez rendszerint szükség van hajtóművekre, amelyek a kívánt mértékben megváltoztatják a hajtás fordulatszámát, és szükség esetén megnövelik a hajtómotor által leadott forgatónyomatékot. Legnagyobb terhelések átvitelére a fogaskerekes hajtóművek alkalmasak, amelyek a fogazat típusától és a tengely elrendezésétől függően sokfélék lehetnek. Kis sebességű, nagy terhelésű munkagépek hajtásrendszerébe rendszerint hen-
geres fogaskerekes hajtóműveket építenek, kivéve, ha különleges igények más fogaskerekes hajtóművek (pl. kúpkerekes vagy hipoidkerekes hajtóművek, csigahajtóművek) alkalmazását igénylik. Fogaskerék-hajtóművek kenése Az ipari kenőanyagok jelentős részét képezik a hajtóműolajok, amelyeket főleg fogaskerékhajtások kenésére használnak. Típusuktól függetlenül valamennyi fogaskerekes hajtómű teherbírását, élettartamát és megbízható működését rendkívüli mértékben befolyásolja kenésük hatékonysága, bár a kenéssel szemben támasztott követelmények jelentős mértékben eltérhetnek, elsősorban a terhelést átvivő fogazott elemek anyagától, kialakításától, működési körülményeitől és a környezeti hatásoktól függően. A nagy terhelésű fogaskerék-hajtóművek kenésének feladata néhány pontban összefoglalható: alakítson ki a kapcsolódó fogfelületek között folyamatos (EHD) kenőfilmet, csökkentse a súrlódást és a kopást, akadályozza meg a súrlódó felületek károsodását (pl. berágódását), tartsa tisztán a súrlódó felületeket, távolítsa el a kopási részecskéket, szükség esetén hűtse a hajtómű elemeit, védje azokat a korróziótól. Valamennyi feladatot csak a megfelelően kialakított olajkenés láthat el, ezért a nagy teherbírású fogaskerék-hajtóművek kenésére rendszerint olajkenést használnak (kivéve a nagyméretű, kis sebességű nyitott fogaskerékhajtásokat, amelyek kenésére különleges kenőanyagokat és kenőrendszereket választanak). A kenőzsírok, a kenőpaszták és a szilárd kenőanyagok nem alkalmasak a szennyeződések eltávolítására és a hajtóművek hűtésére. A kenés hatékonysága a kenőanyagtól és a kenési módtól függ. A kenési mód kiválasztása egyszerű: olyan kenőberendezést kell választani, amely a kenőanyagot tárolja, megfelelő állapotban tartja, vezeti, eljuttatja a kenendő felületekre, és megakadályozza, hogy az kijusson a környezetbe. Olajkenés esetén ehhez az is hozzátartozik, hogy amennyiben hűtés vagy egyéb ok miatt cirkulációs kenésre van szükség,
a kenőrendszer tisztítsa (szűrje), a kívánt mértékben hűtse vagy melegítse a kenőolajat. Hajtóműolajok A kenési feladatok ellátásához elegendő mennyiségű, megfelelő minőségű kenőanyagra van szükség. A kenőanyag mennyiségét a hajtómű mérete, szerkezeti kialakítása és hűtésének igényei határozzák meg, de fontos szempont cirkulációs kenés esetén a szűrés, a hűtés, a pihentetés, a levegő és a szennyező anyagok eltávolítása, vagyis a kenőolaj-körforgás sebessége, ami jelentős hatást gyakorol a kenőanyag igénybevételére, és ezzel élettartamára. Általában a teljes kenőolaj-mennyiség 4 30 perc alatt áramlik át a kenőrendszeren, a hajtómű méretétől és üzemeltetési körülményeitől függően: ipari hajtóművek esetében legalább 4 5 perc, nagy sebességű turbóhajtóművek esetében 5 10 perc a kenőolaj-körfogás ideje. A kenéshez szükséges olajmennyiség a hajtóműben kialakuló teljesítményveszteségtől függ: a minimálisan szükséges kenőolaj mennyisége 5 10 l/kw (egységnyi teljesítményveszteségre számítva). [1] Az alkalmazandó kenőanyag minőségét nagyon sok tényező befolyásolja, amelyek nemcsak a fogaskerék-hajtóműtől függnek, hanem az üzemi körülményektől, a környezeti hatásoktól, a gazdaságossági követelményektől, a környezetvédelmi szempontoktól stb. is. A hajtóműolajokkal szemben támasztott legfontosabb követelmények: a stabil molekulaszerkezet, a vegyi ellenálló képesség (oxidációval stb. szemben), a súrlódás- és kopáscsökkentő hatás, berágódásgátló hatás, nagy viszkozitási index, nagy viszkozitás nyomás kitevő, alacsony dermedéspont, magas lobbanáspont, kis emulgeáló hatás, kis habzási hajlam stb. Miután a kenés hatékonysága függ a hajtóművek méretétől, kialakításától és üzemeltetési körülményeitől, a gyakorlatban rendszerint nincs szükség arra, hogy a kenőolaj a fenti követelményeket teljes mértékben kielégítse. Egy ilyen univerzális kenőolaj előállítása ugyanis rendkívül költséges lenne, és csak bizonyos körülmények között adna műszaki és
gazdasági szempontból egyaránt optimális megoldást. A kenőolajgyártók ezért arra törekszenek, hogy kenőolajaik gazdaságosan elégítsék ki az adott gép kenésével szemben támasztott műszaki követelményeket, és nem foglalkoznak azzal, hogy olajaikat további feladatok teljesítésére is alkalmassá tegyék, ha az többletköltséget igényel. A felhasználók igényeit figyelembe véve ezért különböző minőségű kenőolajok készülnek, amelyeket az alábbiak szerint csoportosítanak. Vannak gépjármű-hajtóműolajok és ipari hajtóműolajok. A gépjárműhajtóműolajokat a fokozottabb követelmények miatt, teljesítményszintjük szerint 5 csoportba osztják (GL1 GL5), és megkülönböztetnek külön automata sebességváltó olajokat. Az ipari hajtóműolajok alapvetően három csoportba tartoznak, a CL és CLP teljesítményszintű ásványolaj-alapú olajok, valamint a szintetikus olajok csoportjába. De ezek mellett egyéb csoportok is előfordulhatnak. Az AGMA például az ipari hajtóműolajok között megkülönböztet még egy negyedik csoportot is, a zsírosított hajóműolajokat (compounded oils). Az egyes teljesítményszinteken belül több viszkozitáscsoportba tartozó hajtóműolaj van. A kenőolajokat alapolajból és tulajdonságmódosító adalékokból állítják elő, ahol az alapolaj elsősorban a viszkozitáscsoportot határozza meg, az adalékok típusa és mennyisége pedig segít abban, hogy a kenőolaj kielégítse a kívánt teljesítményszint követelményeit. Minél nagyobb a hajtóműolaj teljesítményszintje, annál többféle és nagyobb mennyiségű adalékot tartalmaz, bár kétségtelen, hogy az alapolaj minősége is hatást gyakorol a hajtóműolaj teljesítményére. Az alapolajok az esetek legnagyobb részében gondosan finomított ásványolajok, fokozottabb vagy különleges igénybevételek esetén szintetikus olajok. Az ásványolajok előnyösek, mert olcsók, nagy mennyiségben rendelkezésre állnak, kenőképességük jó, de viszkozitásuk a hőmérséklet emelkedésével rohamosan csökken, dermedéspontjuk viszonylag magas, magasabb hőmérsékleten gyorsan oxidálódnak, erősebben párolognak, gyantaképzésre hajlamosak, tűzveszélyesek, környezetszenynyezést okozhatnak, ha kijutnak a szabadba, ami különösen a mezőgazdasági gépek, erdőgazdasági gépek és a víztisztító berendezések kenésénél okozhat problémát. Az alapolaj tulajdonságait kedvezően módosító adalékok rendszerint oxidációgátlók, viszkozitásmódosítók, súrlódáscsökkentők, kopáscsökkentők, berágódásgátlók, dermedéspont-csökkentők, detergens diszpergens adalékok, korróziógátlók, habzásgátlók, demulgeátorok stb.
Az alacsonyabb teljesítményszintű hajtóműolajok csak oxidációgátló, korróziógátló és habzásgátló adalékokat tartalmaznak, a közepes teljesítményszintű hajtóműolajok súrlódás- és kopáscsökkentő, a nagy teljesítményszintű hajtóműolajok pedig viszkozitásmódosító és nyomásálló (EP) adalékokat is. Szintetikus olajok Kedvező tulajdonságaik miatt gyakran felmerül a kérdés, érdemes-e az ásványolaj helyett szintetikus alapolajjal készült hajtóműolajokat használni. Bár sokféle szintetikus olajat állítanak elő, közülük fogaskerekes hajtóművek kenésére elsősorban poli(alfa-olefineket) (PAO), poliglikolokat és poliészterolajokat használnak [6]. A szintetikus olajok molekulaszerkezete stabilabb, kevésbé oxidálódnak, ezért élettartamuk lényegesen hosszabb, mint az ásványolajoké, viszkozitásuk kevésbé változik a hőmérséklet függvényében, magasabb hőmérsékleten is használhatók, párolgásuk kisebb, alacsonyabb a dermedéspontjuk, sőt vannak biológiailag lebomló (a környezetet nem szennyező) és nem tűzveszélyes szintetikus olajok is. Egyes szintetikus olajok kiváló súrlódáscsökkentő tulajdonságúak. Pl. a poliglikolok (poli(alkilén-glikolok)), jelentős mértékben csökkentik a bronz/acél párok súrlódási tényezőjét az ásványolajokhoz viszonyítva (1. ábra [2]), ami különösen csigahajtóművek kenésénél előnyös. Ugyancsak az ásványolajoknál hatékonyabban csökkentik a súrlódást a poliészterolajok, amint azt a 2. ábrán bemutatott mérési eredmények igazolják [2]. Mindkét vizsgálat csúszva gördülő tárcsapárokon történt, amelyeket gyakran használnak fogkapcsolatok kenésállapotának szimulálására és hajtóműolajok hatékonyságának vizsgálatára. A fentieken kívül a poli(alfa-olefinek) előnye, hogy ásványolajjal keverhetők és dermedéspontjuk különösen alacsony. Az adalékokat azonban nehezen oldják. Az észterolajok oxidációs stabilitása különösen kiemelkedő, tűzállók, jól oldják az adalékokat, de a legtöbb elasztomertömítést károsítják, duzzasztják, szilárdságukat jelentősen csökkentik, amely hatásoknak csak a fluorelasztomerek (pl. PTFE) állnak ellen. A poliglikolok vízzel keverhető változata tűzálló, de vízzel emulziót képez, ezért a víztől nem választható el, ami növeli a kenőolaj habzási hajlamát, az iszapképződést, és a korrózió veszélyét. Ugyancsak gondot jelent az adalékok oldása, ezért gyakran észterolajokkal keverik. Van azonban a víztől könnyen elválasztható változata is.
súrlódási tényező 0,1 CuSn12/edzett acél tárcsapár, Rz= 3µ m 0,08 2 p H =300 N/mm, V /ΣVg =1, ISO VG 100 ásványolaj 0,06 poliglikol 0,04 0,02 cs 0 0 5 10 15 kerületi sebesség, m/s 1. ábra Poliglikollal és ásványolajjal kent bronz/acél tárcsapár súrlódási tényezőjének változása a kerületi sebesség függvényében súrlódási tényező 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 p H =1000N/mm2, v=8 m/s, T=60 C ásványolaj ISO VG 100 poliészterolaj 0 10 20 30 40 szlip, % 2. ábra Poliészterolajjal és ásványolajjal kent edzett acél tárcsapár súrlódási tényezőjének változása a szlip függvényében [3] Nem elhanyagolható a szintetikus olajok magasabb ára sem. Az ásványolajhoz képest a poliglikolok 7 15-ször, a poli(alfa-olefinek) 7 25-ször, a poliészterek pedig 10 20-szor drágábbak.
A magasabb ár miatt gyakran készítenek félszintetikus hajtóműolajokat, amelyek azonban csak részben használják ki a szintetikus olajok előnyös tulajdonságait: elsősorban a viszkozitási indexet növelik és csökkentik a dermedéspontot, de javíthatják a súrlódás- és kopáscsökkentő hatást is. A nagy teljesítményszintű (GL5) közlekedési hajtóműolaj készülhet ásványolajból, szintetikus olajból, és a kettő keverékéből is. Ilyen olajok fontosabb összetevőit példaként az 1 2. táblázatok mutatják be [4]. A táblázat adataiból látható, hogy a szintetikus olajok lényegesen megnövelik a bemutatott hajtóműolajok viszkozitási indexét, és egyúttal kevesebb adalékot igényelnek ugyanazon teljesítményszint eléréséhez. Ugyanakkor a tisztán ásványolaj-alapú kenőolaj is nyújthatja ugyanazt a teljesítményt, mint a szintetikus olajat is tartalmazó hajtóműolajok. Azonban műszaki szempontból nem minden esetben előnyösebbek a szintetikus olajok az ásványolajoknál. 1. táblázat Többfokozatú ásványolaj, valamint részben szintetikus olaj alapú hajtóműolajok fontosabb alkotóelemei Ásványolaj-alapú, 75W/90 Félszintetikus alapú 75W/90 VI = 102, η 100 =14,2 mm 2 /s VI = 157, η 100=14,45 mm 2 /s Ásványolaj ISO VG 100 55% Ásványolaj ISO VG 600 20% EP-adalék 7% Poli(alfa-olefin) ISO VG 4 25% Viszkozitásmódosító 19% Poli(alfa-olefin) ISO VG 100 20% Dermedéspont-csökkentő 1% EP-adalék 9,5% Dermedéspont-csökkentő 2% Többfokozatú, szintetikus olaj alapú hajtóműolajok fontosabb alkotóelemei 2. táblázat Szintetikus alapú 75W/90 Szintetikus alapú 75W/140 VI = 140, η 100=15,48 mm 2 /s VI = 168, η 100=26,3 mm 2 /s Poli(alfa-olefin) ISO VG 8 24% Poli(alfa-olefin) ISO VG 40 26% Poli(alfa-olefin) ISO VG 40 52% Poli(alfa-olefin) ISO VG 100 50,5% EP-adalék 9,5% Poliészterolaj 15% EP-adalék 6,5% Dermedéspont-csökkentő 2%
A szintetikus olajok viszkozitásának változása a nyomás függvényében ugyanis kisebb, mint az ásványolajoké (kisebb a k viszkozitás nyomás kitevő az η = η 0 e kp viszkozitás nyomás összefüggésben, lásd 3. ábra), ami kedvezőtlen az elegendően vastag elasztohidrodinamikai (EHD) kenőfilm kialakulása szempontjából (4. ábra). viszkozitás nyomás kitevő, mm 2 /N 0,025 poli(alfa-olefin) ásványolaj 0,02 0,015 0,01 0,005 poliglikol 0 50 60 70 80 90 100 hőmérséklet, o C 3. ábra Poliglikol, poli(alfa-olefin) és ásványolaj viszkozitás nyomás kitevője a hőmérséklet függvényében 3 realtiv kenőfilmvastagság ásványolaj 2 poliglikol 1 poli(alfa-olefin) 0 50 60 70 8 90 100 hőmérséklet, o C 4. ábra Számított relatív EHD-kenőfilm-vastagság poliglikol, poli(alfa-olefin) és ásványolaj esetén a hőmérséklet függvényében
A fogaskerekek súrlódása, kopása és berágódásának veszélye ugyanis megnövekszik, ha a fogak között nem alakul ki a 2h0 λ = résparaméter által jellemzett, a hatékony kenéshez minimálisan szükséges h 0 (EHD) kenőfilmvastagság, amelynek értéke számítha- R a 1 + R a 2 tó Dowson Higginson alábbi összefüggése szerint: R =1,63( ke ) η U o ( ER ) ber ( F h o 0,54 0,7 0,13 (az összefüggésben szereplő mennyiségek jelentése megtalálható a szakirodalomban [1, 5]) A 4. ábrán megfigyelhető, hogy poli(alfa-olefin) kenőanyag alkalmazásakor 60 C, poliglikol alkalmazásakor pedig 80 C hőmérséklet alatt az ásványolaj vastagabb kenőfilmet hoz létre a kapcsolódó fogak között, mint a fenti szintetikus olajok. Magasabb hőmérsékleten természetesen érvényesül a szintetikus olajok nagyobb viszkozitási indexe, vagyis az ásványolajnál nagyobb viszkozitása, ami megnöveli a kenőfilm vastagságát. Ugyanakkor számos eset bizonyítja a szintetikus olajok gazdaságos alkalmazását ott, ahol az ásványolajok hatékonysága nem kielégítő: pl. erősen változó üzemi körülmények között, víz és egyéb szennyezés jelenlétében, környezetszennyezés veszélye esetén, kedvezőtlen kenési és karbantartási körülmények között, ha élettartamkenés szükséges, automata váltómű kenése esetén. Pl. egy húsfeldolgozó üzemben a húsdaráló ferdefogú fogaskerékhajtóművének ásványolaj-alapú kenőolaját 30-naponta kellett cserélni az olaj erős szennyeződése és gyors elhasználódása miatt. Poli(alfa-olefin) alapú hajtóműolajra áttérve jelentősen csökkent a hajtómű súrlódási vesztesége, hőmérséklete, megnövekedett a leadott teljesítmény, a hajtómű és az olaj élettartama: kevesebb lett az olajcsere, kisebb a karbantartási igény és a termeléskiesésből eredő veszteség. Ráadásul ez az olaj megfelel az élelmiszeripar környezetvédelmi előírásainak is, ezért csökken a környezetszennyezés veszélye. A szintetikus olajok a műanyag fogaskerekek kenésekor [7] is előnyösebbek lehetnek. ),
Hajtóműkenés hatékonyságának vizsgálata A BME Gépszerkezettani Intézetében vizsgálóberendezés készült a kenés hatékonyságának vizsgálatára K+K típusú bolygóműbe épített fogaskerékpárokon. E bolygóműtípus hatásfoka nagyon érzékeny a kapcsolódó fogak között kialakuló súrlódási veszteségre, ezért e hatásfok mérésével jól érzékelhető a kenőanyag súrlódáscsökkentő hatása. A vizsgálóberendezés alkalmas műanyag fogaskerekek kenésének vizsgálatára is. Nagyon sok ellentmondás tapasztalható ugyanis a műanyagok kenésének hatékonysága területén. Számos vizsgálat eredménye tanúsítja, hogy a kenés kedvezőtlenül megnövelheti a műanyagok kopását. Ugyanakkor a kenőanyaggyártók javasolnak kimondottan műanyagok kenésére alkalmas, szintetikus kenőanyagokat. Ezek hatékonyságának ellenőrzésére törekszünk. Összefoglalás A fentiek rámutatnak arra, hogy az ásványolajok kedvező ára ellenére egyes területeken műszaki és gazdasági szempontból egyaránt előnyösen használhatók a szintetikus olajok. Ide tartozhat a műanyagok kenése is, ahol az ásványolajok nem mindig felelnek meg. Figyelembe kell venni azonban az üzemi körülményeket is, mert vannak esetek, amikor az ásványolajok műszaki szempontból is előnyösebbek a szintetikus olajoknál. Köszönetnyilvánítás A kenőanyagok hatékonyságának vizsgálata az OTKA T037244 kutatási program keretében folyik. A kapott támogatásért ezúton is szeretnénk köszönetet mondani. Irodalom 1. Niemann, G.; Winter, H.: Maschinenelemente. Band II. 1989. Springer Verlag. 2. Niemann, G.; Winter, H.: Maschinenelemente. Band III. 1986. Springer Verlag. 3. Mang, T.; Dresel, W. Lubricants and Lubrication. 2001. Wiley-VCH, 150 p. 4. Rudnick, L. L.: Synthetic Lubricants and High-Performance Functional Fluids. 1999. Marcel Dekker, 5. Kozma M.: Tribológia. Budapest, 1991. Tankönyvkiadó. 6. Lawrence G. Ludwig, Jr. Schaeffer Mfg. Company, Lubrication of Enclosed Gear Drives and Their Selection. = Machinery Lubrication Magazine. 2003. november. 7. Kalacska, G.; Debaets, P.; Van Parys, F.: The friction and wear of different polymers under high load conditions. = Synthetic Lubrication, 18. k. 2002. p. 109 118.