Korszerű ipari kenőanyagokkal az élhető környezetért Kecskés Zoltán, kenéstechnikai szakértő, MOL-LUB Kft. 1. Bevezetés Az energiatakarékosság napjaink egyik legfontosabb feladatává vált. A kenőanyagok fejlesztésének és alkalmazásának szempontjai is bővültek: a műszaki megfelelőség és költséghatékonyság mellett hangsúlyos kérdéssé vált a kenőanyagok tulajdonságaival befolyásolható veszteségek csökkentése, ezáltal a gépek hatásfokának javítása. A magas viszkozitási indexszel rendelkező, és nagy nyomásokon relatíve kis viszkozitásnövekedést tanúsító szintetikus kenőolajok előnyösek a hagyományos adalékokkal rendelkező, ásványolaj alapú kenőolajokhoz képest. A kenőanyag adalékok fejlesztésének hajtóerejévé az energia-megtakarítási lehetőségek kihasználása vált, így ma már energiatakarékos ásványolaj bázisú kenőolajok is léteznek. A szerző a forgó gépek hatékonyabb energia felhasználásának területén szerzett gyakorlati tapasztalatok közül két géptípusnál ipari hajtóműveknél és csavarkompresszoroknál saját mérési eredményeivel, és irodalmi adatok segítségével mutatja be az energiamegtakarítási lehetőségeket. 2. Elméleti áttekintés A hajtóművek teljesítményvesztesége jelentős mértékben összefüggésbe hozható az alkalmazott hajtóműolaj alkalmazástechnikai jellemzőivel. Az összes vesztesége fogaskerék kapcsolatokon, tengelyeket megvezető csapágyazásokon, tömítéseken, illetve segédberendezéseken keletkezik. A hajtóművek kinetikai viszonyaitól függően az erőátviteli kapcsolatokban a Stribeck modell valamennyi kenési állapotával számolni kell. Hidrodinamikai (HD), és elasztohidrodinamikai (EHD) kenésállapotban jelentkező veszteség függ az alapolaj típusától, vegyes és határkenés esetében a hatásfok csökkenés erősen függ az alkalmazott kenőanyag kémiai összetételétől, adaléktechnológiájától. A kenőolaj viszkozitása meghatározza az olajkeverési veszteséget az olajteknőben [1]. Megállapítható, hogy a hajtóművek hatékony kenésének biztosítása komplex formulázási feladatot jelent. A hagyományos összetételű kenőanyagokkal már nem teljesíthetők a korszerű, nagyteljesítményű hajtóművekhez kidolgozott szigorú követelmények. Az egyre kisebb méretű, ám nagy teljesítmény átadására hivatott hajtóművek nagyobb igénybevételeket kiálló, kevesebb karbantartást igénylő és hosszabb olajcsere-periódust támogató olajokat kívánnak. A hajtóműolajokkal szemben támasztott legfontosabb követelmények: Berágódás, összehegedés elleni védelem Súrlódáscsökkentés, kopásvédelem Szennyeződések eltávolítása
106 Korszerű ipari kenőanyagokkal az élhető környezetért Rozsda és korrózióvédelem Kiváló víz és levegő elválási hajlam Összeférhetőség szerkezeti anyagokkal [2]. Elméleti modellekkel a kenőolaj teljesítményveszteségre gyakorolt hatása számszerűen csak nehezen értékelhető, köszönhetően az olaj összetételét alkotó komponensek alapolajok, EP adalékok, oxidáció-, korróziógátló inhibitorok, VI módosító polimerek, stb. közötti kevéssé ismert kölcsönhatások miatt. Ez jelenleg is fontos kutatási terület. Számos elméleti kutatás foglalkozik világszerte a különböző befolyásoló tényezők mint terhelés, sebesség, fogaskerék geometria, vagy a fogfelület érdessége teljesítményveszteségre gyakorolt hatásaival [3]. A kevéssé hatékony elméleti modellek mellett géplaboratóriumi módszereket dolgoztak ki, melyekkel a valóságos mechanikus teljesítményátadó berendezések jól modellezhetők. Ilyen kidolgozott módszer a kenés hatékonyságának kimutatására az FZG módosított hajtómű tesztje. A jól kidolgozott módszer széles mozgásteret enged a változtatható terhelés, sebesség, hőmérséklet beállításainak, így különböző kenési állapotokban képes eredményesen mérni a vizsgált kenőanyag referencia olajhoz mért tulajdonságait. A teszt által szolgáltatott mérési eredmények egyből átültethetők a gyakorlatba [1] [4]. A különböző összetételű, különböző alapolajokon formulázott hajtóműolajokkal a hivatkozott FZG gépi vizsgálattal jelentős energia megtakarítási potenciált mutattak ki [1]. Különböző publikációk szerint ásványolaj alapon formulázott olajokhoz képest szintetikus polialfaolefin (PAO), és polialkilénglikol (PAG) típusú kenőanyaggal 5-15%-os villamos energia megtakarítás elérhető. A leglátványosabb eredmények csigahajtásoknál mutathatók ki, ahol legnagyobbak a súrlódási veszteségek. A gyakorlati példák bemutatásának másik vizsgált berendezés-családja az olajbefecskendezéses csavarkompresszor. Kompresszorok gazdaságos üzemeltetésében fontos szerepet játszik a kompresszorolaj, melynek legfontosabb feladatai a következők: Tömítés a forgó elemek, forgó elemek és a ház között A levegő/gáz sűrítése során keletkező hőmennyiség elvezetése A súrlódás, kopás csökkentése Korrózióvédelem Természetes elvárás, hogy mindezeket a feladatokat a kenőolaj hosszú időn keresztül ellássa. Az olaj-befecskendezéses kompresszorok kenésére különböző típusú alapolajokból és adalékokból készített kenőanyagokat használnak. Legelterjedtebb az ásványolaj bázisú kenőanyag, de egyre nagyobb teret nyernek a különféle szintetikus bázisolajon formulázott, hosszabb olajcsere ciklust elérő kompresszorolajok. A különböző összetételű kenőanyagok kenőképessége, súrlódási viszonyokra gyakorolt hatása eltérő lehet. A különbségek kimutatása céljára szerveztünk kísérletet. Jobb kenőhatású kompresszorolaj esetén a kisebb súrlódás következtében kevesebb a súrlódási veszteség, hatékonyabb az energia felhasználás. A súrlódási veszteség hőmérsékletemelkedéssel jár, ami a meghajtó villanymotor pillanatnyi áramfelvételével együtt közvetlenül mérhető. Olajkenésű csavarkompresszor esetén nincs szinkronmozgást biztosító fogaskerék áttétel. A kenőanyag súrlódáscsökkentő szerepe a tengelyek csapágyazásánál, valamint a hajtó és hajtott csavarelemek vonalszerű kapcsolódásánál van. Pontosan szerelt és beállított csavar-
Korszerű ipari kenőanyagokkal az élhető környezetért 107 kompresszor esetén a sűrítő elemek között, valamint a sűrítőelem és ház között 76-127µm (0,003-0,005 in) hézag van. A forgó elemek csapágyazásához alkalmazott golyós, vagy görgős csapágyak gördülő elemei és a futópálya között pont-, ill. vonalszerű érintkezés van. A terhelés hatására a kis kiterjedésű érintkező felületek között nagy nyomás lép fel, az elmozduló felületek relatív sebesség különbségének hatására hidrodinamikai, ill. elaszto-hidrodinamikai kenésállapot jön létre. A sűrítőelemek kapcsolódása nagy pontossággal kialakított profil mentén a kenőolaj-fim által jön létre. A hajtott csavarelem közvetlenül e kapcsolódás hatására jön mozgásba, biztosítva a sűrítéshez szükséges feltételeket. A kapcsolódás mentén érintkező felületeket kenőolajfilm választja el egymástól, a kenéselmélet szerint hidrodinamikus kenésállapot jön létre. A fenti körülmények között kialakuló elaszto-hidrodinamikai, hidrodinamikai kenésállapotban lényeges jellemző a hőmérséklet és nyomás változásának hatása a kenőolaj viszkozitására. Elsősorban a kenőolaj nyomás hatására bekövetkező viszkozitás-növekedésének mértéke mérvadó. Minél kisebb a viszkozitás változás, annál kisebb belső ellenállás ébred a folyadékfilmben, annál kisebb erő szükséges a forgó mozgás fenntartásához. A hőmérséklet-viszkozitás összefüggés különösen érdekes szakaszos üzemben, amikor az indítást követően az üzemi hőmérséklethez viszonyítva hidegebb olajnak kell a kenést ellátnia. Alacsonyabb hőmérsékleten viszkózusabb folyadék belső súrlódása nagyobb, ekkor a mozgásátadáshoz nagyobb energia befektetés szükséges. Elméleti alapon készített becslések szerint csavarkompresszoroknál a konstrukció adottságait figyelembe véve a hajtóművekhez mérten kisebb energia megtakarítási potenciál várható eltérő tulajdonságú kenőolajok használata esetén. Az elméleti becslések és laboratóriumi mérések ellenőrzésre üzemszerű kísérletek indultak a valóságosan elérhető megtakarítások kimutatása céljából. 3. Energia hatékonysági vizsgálatok 3.1. Energia megtakarítási kísérlet szintetikus kenőanyaggal ipari hajtóműben Cementgyári termelésben szereplő hajtások közül egy alkalmasnak ígérkező ikerhajtás választásával egy időben párhuzamos mérésekre kerülhetett sor. Az ikerhajtás a nyersőrlemény szállítását végző szállítószalag leadó végén helyezkedik el. A szalag két oldalán két azonos műszaki jellemzőkkel rendelkező hajtáslánc működik, az egyszerűség kedvéért a későbbiekben 1-es és 2-es hajtásként megkülönböztetve. Mindkét oldalon egy-egy 75 kw teljesítményű villamos motor hajtja a hajtóművet. A rugalmas tengelykapcsolatot hidrosztatikus kuplung biztosítja. A kuplung és hajtóműház között hűtőventilátor dolgozik. Az 1- es hajtáslánc elrendezése látható az 1. ábrán. A szalag túloldalán lévő 2-es hajtás a ennek pontosan a tükörképe. A szalaghajtás igénybevételét jelentő terhelés óránként átlagosan 200 tonna. A villamos motorok áramfelvételei a központi vezérlő helyiségben folyamatos felügyelet alatt vannak, az értékeik adatbázisba kerülnek, ezért lehetőség van tetszőleges időszak adatainak felhasználására. A hajtás állapota időszakosan rezgés-, valamint olajdiagnosztikával is ellenőrzött. Termelő környezetben nehéz ideálisabb körülményekkel rendelkező vizsgálati helyet találni.
108 Korszerű ipari kenőanyagokkal az élhető környezetért 1. ábra: Szállítószalag hajtás 2. ábra: A hajtómű metszeti rajza A hajtómű felépítését az 2. számú ábra adja meg. A lassító fokozatok jellemzői: fogszámok, módosítás, fordulatszám: z 1 =16; z 2 =26; i= z 2/ z 1 =26/16=1,625 n 1 =1400 1/min (behajtó) z 3 =17; z 4 =47; i= z 4 /z 3 =47/17=2,765 z 5 =14; z 6 =45; i= z 6 /z 5 =45/14=2,647 n k =117,7 1/min (kihajtó) Alapesetben mindkét hajtóműben ISO VG 220-as viszkozitású, EP adalékot tartalmazó ásványolaj típusú, prémium minőségű ipari hajtóműolaj látja el a fogaskerék-kapcsolatok, csapágyak és tömítések kenését. A kísérletet előkészítő időszakban mindkét hajtóműből olajminta került laboratóriumi vizsgálatra, a gép- és olajállapot vizsgálata céljából. A vizsgálati eredmények nem mutattak ki rendellenes állapotot, ami a kísérlet indítását akadályozta volna. Az ideális modell sajnos csak elméletben áll rendelkezésre. A két teljesen azonos felépítésű hajtáslánc a folyamatosan rögzített adatok kimutatása szerint eltérő áramfelvétellel terheli a villamos hálózatot. Az 1-es hajtás áramfelvétele a kísérletet megelőzően alacsonyabb volt, mint a 2-esé. Ez az eltérés minden ellenőrzött időszakban fennállt. Referenciaként kijelölt 2012. 08. 06 2012. 10. 06 közötti időszakban a hajtásonként rögzített áramfelvétel adatok átlagából a két hajtás áramfelvételében 8,55% különbség volt kimutatható.
Korszerű ipari kenőanyagokkal az élhető környezetért 109 A kísérlet során mindkét hajtóműbe friss olajtöltet (60-60 liter) került. Az 1-es hajtásba szintetikus, polialfaolefin (PAO) típusú, a 2-esbe az eredetileg is használt ásványolaj alapú ipari hajtóműolajat töltöttek. A villamos értékek az online rendszerből, a hajtóműben lévő olaj hőmérsékletét a helyszínen 2-3 naponta mérve kerültek rögzítésre az értékeléshez. A helyszíni hőmérsékletmérések és hozzá kapcsolódó amper értékek kimutatása követhető a 3. és 4. ábrákon. A 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Amper felvétel 11-09 11-13 11-19 Mérés ideje 11-23 02-06 02-10 02-18 C1M101 Szintetikus ISO VG 220 C1M102 Ásványolaj ISO VG 220 3. ábra: Áramfelvétel a 2012. 11. 09 2013. 02. 21. között i időszakban Hajtómű hőmérséklet C 50 40 30 20 10 0 11-09 11-13 11-19 11-23 Mérés ideje 02-06 02-10 02-18 Környezeti hőmérséklet C1M101 Szintetikus ISO VG 220 C1M102 Ásványolaj ISO VG 220 4. ábra: Hajtómű hőmérséklet a 2012. 11. 09 2013. 02. 21. között i időszakban
110 Korszerű ipari kenőanyagokkal az élhető környezetért A 2012. 11. 09 2013. 02. 21 közötti időszakban végzett mérések alapján a két hajtás áramfelvételében 11,93% különbség, az olajleeresztő csavarnál infra-hőmérővel mérve 15% átlag hőmérsékletkülönbség volt kimutatható (1. táblázat). 1. táblázat: Mérési eredmények a 2012. 11. 09 2013. 02. 21. közötti időszakban Átlagos áramfelvétel Átlaghőmérséklet 1-es hajtómű, ISO VG 220 PAO 59,07A 35 C 2-es hajtómű, ISO VG 220 ásványolaj 67,07A 41,21 C Különbség, % 11,93% 15,08% A folyamatos termelést jelenleg hosszabb idejű leállások szakítják meg, ezért a vizsgálat is ezt a periodicitást követi. A következő termelési szakaszban a rendszeres hőmérséklet ellenőrzést elhagytuk. A folyamatosan rögzített villamos adatok szerint a 2013. 03. 28 és 2013. 04. 20 közötti időszakban az átlagos különbség 14 % volt. A figyelembe vett állandó különbséget leszámítva a megtakarítás ebben az időszakban 5,45 %-ra adódott. 3.2. Energia-megtakarítás speciális kompresszorolajjal Üzemi vizsgálatban hasonlítottuk össze csavarkompresszorokban általánosan használt normál, valamint speciális összetételű kompresszorolajat, azonos üzemviteli jellemzők mellett. Mindkét kenőolaj ISO VG 68 viszkozitási osztályba tartozott. 2. táblázat: A kísérlet körülményei Kompresszor típusa ALUP SCK 52-8 Névleges teljesítmény, kw 37 Mért hálózati feszültség, V (3 fázis) 400 Frekvencia szabályzás nincs Olajtöltet, liter 17 Környezeti hőmérséklet, C 22 Sűrítési nyomás, bar 6 A vizsgálat olajtípusonként addig tartott, míg a működés során stabilizálódott az üzemi hőmérséklet, ekkor rögzítésre került a feszültség, áramerősség (fázisonként) és az olajhőmérséklet. A vizsgálati körülmények a kísérlet folyamán változatlanok voltak (2. táblázat), a kísérletben egyedüli változó szereplő a kenőanyag volt. A kenőanyagok cseréje között egy öblítő ciklusra került sor, ami biztosította a keveredésből adódó hiba kiküszöbölését. A vizsgálatban az 5. ábrán látható kompresszor vett részt, melynek során mért eredményeket foglalja össze a 3. táblázat. Értékelés során a fázisonként mért átfolyó áram erősségének átlagát vettük. A két olaj tesztje során a villamos áram felvételben 2% különbség
Korszerű ipari kenőanyagokkal az élhető környezetért 111 volt kimutatható, valamint 1 C olajhőmérséklet különbség adódott a szintetikus kopásgátló adalékot tartalmazó kenőanyag javára. 5. ábra: A kísérletben szereplő légsűrítő egység 3. táblázat: A vizsgálat eredményei Kompresszorolaj Ásványolaj Ásványolaj szintetikus kopásgátló adalékkal Fázisonként mért áramerősség, A 60,5; 61,8; 62,7 59,8; 60,8; 60,8 Átlagos áramerősség, A 61,67 60,47 Olaj hőmérséklet, C 91 90 Értékelésekor figyelembe kell venni az elméleti fejezetben összefoglalt konstrukciós jellemzőket. A vizsgálat során kimutatott átlagosan 2% áramfelvétel csökkenés a szintetikus kopásgátló adalékot tartalmazó kenőanyaggal elért súrlódáscsökkentés hatása. 4. Összefoglalás Az ismertetett gyakorlati példák arról számolnak be, hogy megfelelően kiválasztott kenőanyagokkal megvalósított kisebb súrlódás révén számottevő energia-megtakarítás érhető el termelő berendezéseknél, ez a megtakarítás jelentős hatást gyakorol az üzemeltetési költségekre. A korszerű, szintetikus kenőanyagokkal elérhető kétszer, háromszor hosszabb élettartam a ritkábban esedékes töltetcserék miatt további költségmegtakarítási lehetőséget és a környezetet terhelő kevesebb káros anyag kibocsátást jelent. Az ilyen elvek szerint kezelt folyamatok hozzájárulnak az élhető környezett fenntartásához.
112 Korszerű ipari kenőanyagokkal az élhető környezetért Felhasznált irodalom: [1] K. Michaelis, A. Doleschel, B.R. Höhn: Lubricant influence on gear efficiency; ASME Konferencia, 2009.08.30. [2] R.L. Thibault: CLS Exam Course Handbook, 2013, LTC [3] A. Kahraman, T.T Petry-Johnson, N.E. Anderson, D.R. Chase: Experimental Investigation of Spure Gear Efficiency, ASME Konferencia, 2007.09.4-7. [4] ISO 14635-1. FZG Test Procedure for Relative Scuffing Load Capacity of Oils, Part: Test Method A/8,3/90.