Tarcie i smarowanie współpracujących elementów maszyn wykład AW5a

Wybrane zagadnienia tarcia i smarowania

3.1. Pojęcie tarcia

W odniesieniu do współpracujących elementów maszyn tarcie można zdefiniować jako zbiór procesów i zjawisk zachodzących w obszarach styku dociskanych elementów znajdujących się w ruchu względnym w płaszczyźnie ich zetknięcia lub gdy działający układ sił czynnych dąży do jego wywołania, powodujących opory tego ruchu. Styk elementów maszyn to nie tylko styk fizyczny, ale również takie ich skojarzenie, w wyniku którego tworzą one węzeł tarcia. Elementy tworzące węzeł tarcia mogą być rozdzielone czynnikiem smarującym. Jednym z podstawowych skutków procesów tarcia jest powstawanie i rozwijanie niekorzystnych, trwałych zmian w warstwach wierzchnich współpracujących elementów, powodujących zużycie ich powierzchni.

Rys. 3.1. Schemat rozdziału energii w procesie tarcia

Analizując procesy tarcia w maszynach należy zwrócić uwagę na ich dwoistą naturę. Z jednej strony występowanie procesów tarcia umożliwia budowę układów mechanicznych, takich jak: hamulce, sprzęgła tarciowe, przekładnie tarciowe itp., a z drugiej strony powoduje ogromne strat energii wynikające z konieczności pokonywania sił tarcia. Szacuje się, że około 35% energii produkowanej na świecie jest tracona z powodu istnienia tarcia. Część tej energii zostaje zamieniona na ciepło, powodując wzrost temperatury współpracujących elementów. Temperatura mikroobszarów styku współpracujących elementów uzależniona jest m.in. od przewodności cieplnej materiałów elementów, cech otoczenia oraz innych warunków ich współpracy i może wielokrotnie przekraczać średnią temperaturę elementu. Wzrost temperatury elementów na skutek tarcia ogranicza możliwości stosowania dużych prędkości i obciążeń elementów, co w efekcie powoduje ograniczenie wydajności maszyn. Procesy tarcia mogą wywoływać również inne niepożądane zjawiska, np. drgania mechaniczne w układach maszyn, nierównomierności ruchu (np. w układach prowadnic obrabiarek), itd., często związane z emisją dźwięku. Rozkład energii pochłanianej w procesach tarcia przedstawiono na rys. 3.1.

Procesy tarcia zachodzą na poziomie atomowo-cząsteczkowym, natomiast ich skutki obserwujemy w skali makroskopowej w postaci zmian w warstwie wierzchniej elementów oraz w postaci drobin materii, zwanych produktami zużycia. Jeżeli między elementami maszyn istnieje czynnik smarujący, to procesy tarcia prowadzą również do trwałej zmiany wartości cech tego czynnika. Trwałe zmiany wartości cech czynnika smarującego powodowane są również oddziaływaniami otoczenia i procesów starzenia. Zmiany te wywierają również wpływ na przebieg procesów tarcia.

3.2. Rodzaje tarcia

W literaturze przedmiotu istnieje wiele klasyfikacji rodzajów tarcia zbudowanych na podstawie różnych kryteriów. W niniejszym opracowaniu wykorzystano klasyfikację najbardziej odpowiednią ze względów dydaktycznych i poglądowych, którą przedstawiono na rys. 3.2. Pewnym uproszczeniem tej klasyfikacji jest tabelaryczne zestawienie rodzajów tarcia występującego przy współpracy elementów maszyn - tabela 3.1.

Kryterium klasyfikacji Rodzaje tarcia
występowanie ruchu względnego statyczne
kinetyczne
charakter ruchu ślizgowe
toczne
krętne (wiertne) - odmiana tarcia ślizgowego
rodzaj smarowania suche
graniczne
mieszane
płynne

Rys. 3.2. Rodzaje tarcia

Na rys. 3.3 przedstawiono rodzaje tarcia ślizgowego występującego między współpracującymi elementami maszyn tworzącymi węzły tarcia.

Rys. 3.3. Rodzaje tarcia ślizgowego występującego między współpracującymi elementami maszyn

Tarcie wewnętrzne

Tarcie występujące w obrębie jednego ciała nazywane jest tarciem wewnętrznym. Tarcie to występuje między elementami jednego ciała (warstwami, cząstkami). Jednym ze skutków tego rodzaju tarcia jest opór powstający przy względnym przemieszczaniu elementów ciała. Do tarcia wewnętrznego na ogół zalicza się również tarcie występujące podczas ruchu ciała stałego w cieczy lub w gazie, gdyż poślizg (tarcie) występuje pomiędzy warstwami cieczy lub gazu otaczającego ciało stałe. Cząsteczki płynu, tj. cieczy lub gazu, przywierają do ciała stałego w wyniku działania sił międzymolekularnych i tarcie występuje pomiędzy cząsteczkami płynu.

Zazwyczaj tarcie wewnętrzne w ciałach stałych określa się własnościami tłumiącymi ich materiałów, natomiast w odniesieniu do płynów tarcie wewnętrzne charakteryzowane jest lepkością.

Opory tarcia wewnętrznego wynikają z istnienia sił kohezji i są zależne od swobody przemieszczania się cząstek. Najmniejsze opory tarcia wewnętrznego występują w gazach (duża swoboda wzajemnego przemieszczania cząstek), a największe w ciałach stałych. W ciałach stałych ten rodzaj tarcia związany jest z odkształceniami sprężystymi i plastycznymi.

Tarcie zewnętrzne

Tarcie występujące w obszarze styku fizycznego dwu ciał stałych nazywane jest tarciem zewnętrznym. Opór powstający pomiędzy dwoma ciałami, stykającymi się pod wpływem docisku, przy ich względnym przemieszczaniu w płaszczyźnie zetknięcia nazywany jest oporem tarcia zewnętrznego.

Przy założeniu, ze węzeł tarcia tworzą elementy idealnie sztywne i o idealnych powierzchniach, tj. pozbawionych błędów kształtu, chropowatości, itp., opory tarcia zewnętrznego są wynikiem oddziaływania sił powierzchniowych (adhezja). W warunkach rzeczywistych przy tarciu zewnętrznym występują nie tylko oddziaływania o charakterze adhezyjnym, ale również oddziaływania mechaniczne pomiędzy nierównościami współpracujących powierzchni, tj. ścinanie nierówności, odkształcenia sprężyste i plastyczne zahaczających się nierówności. Tak więc opory tarcia zewnętrznego współpracujących elementów maszyn wiążą się zarówno z pokonywaniem sił adhezyjnych, jak i sił spójności.

Tarcie statyczne (spoczynkowe)

Tarcie statyczne (spoczynkowe) występuje wówczas, gdy względna prędkość obszarów tarcia występujących elementów jest równa zero.

Przy tarciu spoczynkowym występują bardzo małe, częściowo odwracalne, przemieszczenia obszarów styku w wyniku sprężysto-plastycznych odkształceń warstw wierzchnich współpracujących elementów maszyn. Przemieszczenia te nazywane są przemieszczeniem wstępnym. Siła tarcia spoczynkowego równoważy wypadkową zewnętrznych sił stycznych działających na układ ciał.

Siła tarcia, w zależności od wartości wypadkowej zewnętrznych sił stycznych dążących do wprowadzenia współpracujących elementów w ruch względny, może przyjmować dowolne wartości z przedziału 〈0, Tmax〉. Maksymalna siła tarcia spoczynkowego Tmax, zwana również rozwiniętą siłą tarcia, występuje w chwili przejścia obszarów tarcia ze stanu spoczynkowego do stanu ruchu względnego i określa stan równowagi chwiejnej układu elementów. Siła ta odpowiada granicznej wartości przemieszczenia wstępnego. Jeżeli wartość wypadkowej zewnętrznych sił stycznych działającej na układ ciał przekroczy wartość odpowiadającą maksymalnej, dla danego układu, sile tarcia spoczynkowego Tmax to nastąpi poślizg ciał w skali makroskopowej.

Analizując typowe skojarzenia elementów maszyn można wyróżnić dwa charakterystyczne przypadki występowania tarcia spoczynkowego:

Tarcie kinetyczne

Tarcie występujące w warunkach ruchu względnego współpracujących elementów nazywa się tarciem kinetycznym.

Na ogół wartość współczynnika tarcia kinetycznego jest mniejsza od wartości współczynnika tarcia statycznego. Jest to przyczyną powstawania, w określonych warunkach tarcia, drgań relaksacyjnych w skojarzeniach ślizgowych elementów maszyn - tzw. zjawiska stick-slip (m.in. w prowadnicach ślizgowych obrabiarek). Zjawisko stick-slip polega na skokowo-poślizgowym ruchu trących elementów i występuje ono na ogół przy małych wartościach prędkości ruchu względnego elementów.

W zależności od charakteru ruchu współpracujących elementów tarcie kinetyczne można podzielić na tarcie toczne i tarcie ślizgowe.

Tarcie toczne

Tarcie toczne można zdefiniować jako zbiór zjawisk występujący w obszarze styku współpracujących elementów, których wynikiem jest opór stawiany toczeniu tych elementów po sobie. Przy tarciu tocznym (bez poślizgów) prędkość liniowa punktów styku obu elementów jest równa. W warunkach rzeczywistych toczeniu elementów po sobie zawsze towarzyszą mikropoślizgi. Dla ciał idealnie sztywnych czas trwania styku tych punktów dąży do zera. Ruch jednego elementu względem drugiego sprowadza się do jego obrotu wokół osi przechodzącej przez punkty styku i leżącej na płaszczyźnie stycznej do obu ciał. Dla ciał idealnie sztywnych i o idealnych powierzchniach styk elementów, w zależności od postaci geometrycznej współpracujących elementów, może być punktowy - oba współpracujące elementy mają postać kul lub liniowy - współpraca powierzchni cylindrycznych lub cylindrycznej i płaskiej. W rzeczywistych warunkach współpracy elementów w obszarach ich styku następują odkształcenia sprężyste materiałów, a niekiedy nawet plastyczne, powodując tzw. styk strefowy elementów. W strefie tej występuje tarcie ślizgowe zewnętrzne, na powierzchni rozdziału elementów oraz tarcie wewnętrzne w odkształconej objętości warstwy wierzchniej tych elementów.

Źródłem oporów tarcia tocznego są mechaniczno-molekularne oddziaływania zachodzące w obszarze styku elementów przy ich przetaczaniu. Na całkowity opór tarcia tocznego składają się:

Tarcie ślizgowe

Tarcie ślizgowe przeciwdziała przesuwaniu się po sobie stykających się powierzchni współpracujących elementów, tj. przeciwdziała ruchowi względnemu dociskanych do siebie elementów. Występuje ono przy postępowym, postępowo-zwrotnym, obrotowym, obrotowo-zwrotnym lub wiertnym (złożenie ruchu obrotowego i postępowego) ruchu względnym współpracujących elementów. Styk współpracujących elementów może zachodzić na powierzchni (nominalnej) płaskiej lub zakrzywionej.

Występujące w niektórych klasyfikacjach tarcia, tarcie krętne (wiertne) jest szczególnym przypadkiem tarcia ślizgowego.

W zależności od obecności w obszarze styku trących elementów czynnika smarującego i rodzaju smarowania tarcie ślizgowe dzieli się na: suche, graniczne i płynne.

Tarcie suche

Wyróżnia się dwa rodzaje tarcia suchego, tj. tarcie fizycznie suche i tarcie technicznie suche.

Tarcie fizycznie suche występuje wówczas, gdy trące powierzchnie elementów maszyn są fizycznie i chemicznie czyste, tzn. że powierzchnie metalowych elementów maszyn są pozbawione warstw tlenków i błonek adsorpcyjnych. Ten rodzaj tarcia w normalnych warunkach współpracy większości metalowych elementów maszyn zachodzi tylko wyjątkowo, np. wtedy, gdy na oczyszczonych z warstw adsorpcyjnych i warstw tlenków (np. w wyniku tarcia) stykających się mikroobszarach powierzchni trących elementów nie powstały jeszcze nowe takie warstwy.

Tarcie techniczne suche występuje przy współpracy niesmarowanych powierzchni elementów maszyn, np. w skojarzeniu: okładziny cierne - bęben hamulcowy. W praktyce tarcie technicznie suche może wystąpić również przy braku czynnika smarującego w normalnie smarowanych węzłach tarcia w wyniku nieprawidłowej eksploatacji lub uszkodzenia układu smarowania maszyn.

Tarcie płynne (wewnętrzne)

Tarcie płynne występuje wówczas, gdy powierzchnie elementów tworzących węzeł tarcia są całkowicie rozdzielone warstwą czynnika smarującego, najczęściej w postaci cieczy lub gazu. W efekcie rozdzielenia współpracujących elementów czynnikiem smarującym tarcie zewnętrzne elementów zostaje zastąpione tarciem wewnętrznym zachodzącym pomiędzy warstwami czynnika smarującego. W czasie istnienia tarcia płynnego opory tarcia są wielokrotnie mniejsze niż podczas tarcia suchego. Brak mechanicznego oddziaływania rozdzielonych od siebie nierówności współpracujących powierzchni sprawia, że procesy zużycia elementów maszyn podczas tarcia płynnego przebiegają z mniejszą intensywnością niż przy innych rodzajach tarcia.

Tarcie graniczne

Jeżeli powierzchnie trących elementów pokryte są tzw. warstwami granicznymi, to tarcie zachodzi pomiędzy tymi warstwami i nazywa się tarciem granicznym. Warstwa graniczna jest to warstwa czynnika smarującego o bardzo małej grubości przylegające szczelnie do powierzchni elementu i charakteryzująca się m.in. dużą odpornością na naciski. Warstwa graniczna cieczy smarującej, mono- lub polimolekularna, przylegająca bezpośrednio do powierzchni elementu wykazuje inne właściwości niż pozostała objętość cieczy.

Tarcie mieszane

Jeżeli na powierzchni styku trących elementów istnieją mikroobszary styku, w których występują różne rodzaje tarcia, np. w jednym z mikroobszarów styku występuje tarcie suche, a w pozostałych mikroobszarach tarcie graniczne, to tarcie zachodzące między tymi elementami nazywa się tarciem mieszanym. Tarcie występujące w makroobszarze styku jest wypadkową rodzajów tarcia w mikroobszarach styku.

Na rysunku 3.4 przedstawiono modele podstawowych rodzajów tarcia, natomiast rys. 3.5 przedstawia jakościowy charakter zależności współczynnika tarcia ślizgowego od grubości warstwy środka smarnego.

Rys. 3.4. Modele różnych rodzajów tarcia:

a) tarcie wewnętrzne, b) tarcie zewnętrzne, c) tarcie płynne, d) tarcie graniczne, e) tarcie suche

Rys. 3.5. Współczynnik tarcia w funkcji grubości warstwy smarnej:

1 - tarcie suche, 2 - tarcie graniczne, 3 - tarcie mieszane, 4 - tarcie płynne

3.3. Smarowanie elementów maszyn

Smarowanie jest celowym wprowadzeniem czynnika smarującego między współpracujące powierzchnie elementów maszyn dla zapewnienia odpowiedniego poziomu ich trwałości, niezawodności, efektywności, bezpieczeństwa działania i zmniejszenia oporów ruchu. Opory tarcia występującego pomiędzy współpracującymi elementami maszyn można zmniejszyć poprzez wprowadzenie pomiędzy współpracujące powierzchnie tych elementów substancji o małych oporach tarcie wewnętrznego i zastąpienie tarcia zewnętrznego ciał stałych tarciem wewnętrznym w czynniku smarującym. Opracowane są różne sposoby wprowadzenia między powierzchnie trące elementów maszyn takich substancji, które spowodują zmniejszenie wartości współczynnika tarcia ślizgowego. Substancje spełniające tę rolę nazywane są substancjami smarnymi albo prościej smarami. W zależności od cech konstrukcyjnych elementów maszyn i warunków współpracy tych elementów stosuje się substancje smarne w postaci gazowej, ciekłej, plastycznej i stałej. Jakość procesów smarowania determinowana jest przez cechy węzłów ślizgowych maszyn i cechy substancji tworzącej tzw. warstwę smarującą, która oddziela współpracujące powierzchnie. Do podstawowych celów smarowania elementów maszyn zalicza się:

Optymalnym rodzajem tarcia (smarowania), z punktu widzenia ograniczania intensywności zużycia współpracujących elementów i zmniejszania oporów tarcia, jest tarcie płynne generowane w warstwie nośnej czynnika smarującego, całkowicie oddzielającej powierzchnie współpracujących elementów. Wszelkie zmiany parametrów współpracy elementów poniżej wartości dopuszczalnych lub nieodpowiedni dobór i ukształtowanie cech maszyny uniemożliwiają powstanie lub powodują zaburzenia istniejącego już tarcia płynnego między elementami węzłów ślizgowych, objawiające się nieciągłością przepływu substancji smarującej w warstwie nośnej. Konsekwencją nieciągłości przepływu czynnika smarującego jest zanikanie tarcia płynnego i powstawanie tarcia mieszanego, powodującego zużywanie się warstw wierzchnich elementów węzłów ślizgowych. W tym stanie znaczną poprawę skuteczności smarowania można uzyskać przez dodanie niewielkiej ilości związków chemicznych powodujących wiązanie cząsteczek substancji smarującej na powierzchniach współpracujących elementów. Silnie związana z powierzchnią nośną elementów maszyn cienka warstwa smaru, nazywana warstwą graniczną, stanowi często jedyne skuteczne zabezpieczenie warstwy wierzchniej elementów węzłów ślizgowych przed wystąpieniem tarcia suchego. Ten rodzaj smarowania nazywany jest smarowaniem granicznym.

3.3.1. Smarowanie graniczne

Smarowanie graniczne stosuje się lub przejściowo występuje na ogół w węzłach ślizgowych maszyn, w których powierzchnie ślizgowe elementów przemieszczają się względem siebie z niewielką prędkością, a występujące między nimi naciski oraz ich cechy konstrukcyjne uniemożliwiają wytworzenie smarowania hydrodynamicznego. Ten rodzaj smarowania stosuje się wówczas, gdy nie wymagane jest zastosowanie innego rodzaju smarowania.

Istotę smarowania granicznego w przypadku stosowania ciekłych substancji smarnych można przedstawić w poniższy sposób. Cząsteczki cieczy smarującej znajdujące się w obszarze działania elektrostatycznego pola sił powierzchniowych elementów węzła ślizgowego zmniejszają swoją ruchliwość. Oddziaływanie pola elektrostatycznego powoduje polaryzację i orientację przestrzenną cząsteczek cieczy smarującej w kierunku równoległym do linii działania jego sił. Efektem przestrzennego uporządkowania cząsteczek jest zwiększenie intensywności oddziaływań międzycząsteczkowych oraz związane z tym zwiększenie lepkości i gęstości cieczy w strefie przypowierzchniowej. Ciecz smarująca, znajdująca się w strefie działania pola sił powierzchniowych, tworzy oddzielną fazę czynnika smarującego, nazywaną warstwą graniczną (przyścienną). Grubość warstwy granicznej czynnika smarującego wynosi na ogół około 0,25 µm, natomiast jej trwałość jest uzależniona od jakości procesu sorpcji. tzn. związania cząstek smaru na powierzchniach ślizgowych elementów. Unieruchomienie powierzchniowe cząsteczek realizowane jest na zasadzie oddziaływania międzycząsteczkowego - siłami Van der Waalsa - i nazywane jest adsorpcją fizyczną albo na zasadzie wiązania chemicznego i nazywane wówczas adsorpcją chemiczną lub chemisorpcją.

Jeżeli w odpowiednich warunkach pracy węzłów ślizgowych następuje rozdzielenie powierzchni ślizgowych elementów klinem smarnym, to powstały film olejowy składa się z trzech podstawowych warstw:

Wysoki stopień uporządkowania cząsteczek oleju, orientacja tych cząsteczek oraz ich silne powiązania z podłożem (warstwa wierzchnia elementów) powodują, że warstwa graniczna posiada cechy ciała quasi-krystalicznego, tzn. pozornie krystalicznego.

3.3.2. Smarowanie hydrodynamiczne

Smarowanie hydrodynamiczne polega na zapewnieniu warunków do powstawania warstwy nośnej smaru, tzw. klina smarnego, oddzielającego całkowicie odpowiednio ukształtowane i będące w ruchu względnym powierzchnie elementów maszyn, którego ciśnienie równoważy zewnętrzne obciążenie tych elementów.

Ciśnienie hydrodynamiczne powstaje wówczas, gdy spełnione są kryteria dotyczące:

Spełnienie powyższych kryteriów umożliwia powstanie ciśnienia hydrodynamicznego o takiej wartości, która zapewnia całkowite oddzielenie współpracujących powierzchni. Zdolność samoczynnego wytwarzania ciśnienia w warstwie smaru oraz utrzymanie wysokości tej warstwy, większej od sumy nierówności współpracujących ze sobą powierzchni elementów łożyska ślizgowego, jest podstawową zaletą smarowania hydrodynamicznego. Wadą tego smarowania jest występujące w okresach rozruchu i zatrzymania maszyn tarcie mieszane, spowodowane obniżeniem wartości parametrów poniżej wartości kryterialnych, będące przyczyną intensywnego zużycia powierzchni współpracujących elementów maszyn w obszarach bezpośredniego styku wierzchołków ich nierówności. Stosowane w budowie maszyn łożyska ślizgowe są odporne na obciążenia dynamiczne, odznaczają się prostą i zwartą budową, jak również niskim kosztem ich eksploatacji. Z tych też powodów są często stosowane w różnego rodzaju maszynach. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych łożysk ślizgowych w których stosuję się zasadę smarowania hydrodynamicznego przedstawiono schematycznie na rys. 3.6. Zjawisko powstawania ciśnienia hydrodynamicznego w olejowym klinie smarnym oddzielającym dwie powierzchnie nośne łożyska ślizgowego ilustruje schemat łożyska przedstawiony na rys. 3.7.

Rys. 3.6. Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych poprzecznych łożysk ślizgowych smarowanych hydrodynamicznie

Rys. 3.7. Schemat powstawania ciśnienia hydrodynamicznego w łożysku ślizgowym

3.3.3. Smarowanie elastohydrodynamiczne

Smarowanie w warunkach tarcia elastohydrodynamicznego, nazywane również smarowaniem elestohydrodynamicznym jest szczególnym rodzajem smarowania hydrodynamicznego. Występuje ono w specyficznych warunkach fizycznych, w miejscach styku kontaktowego elementów węzłów ślizgowych o odpowiednio zakrzywionych powierzchniach ślizgowych. Cechami charakterystycznymi procesu smarowania elastohydrodynamicznego są: duże zwiększenie lepkości substancji smarującej oraz znaczne odkształcenia sprężyste powierzchni współpracujących elementów.

W procesach smarowania hydrodynamicznego, występujących np. w większości łożysk ślizgowych, współpracujące powierzchnie są całkowicie oddzielone warstwą substancji smarującej. Do połowy lat dwudziestych naszego stulecia uważano, że w warunkach oddziaływania naprężeń kontaktowych na elementy węzłów ślizgowych takie, jak: zęby współpracujących kół zębatych, elementy toczne łożysk itp. zjawisko smarowania hydrodynamicznego nie występuje. Pogląd ten oparty był na wnioskach wynikających z klasycznej teorii smarowania hydrodynamicznego. Z obliczeń modelowych wykonanych według tej teorii wynika, że grubość warstwy smarującej jest niewystarczająca do oddzielenia nierówności powierzchni nawet w warunkach szczególnie sprzyjających powstawaniu warstwy nośnej czynnika smarującego. W obliczeniach nie uwzględniono jednak zmian lepkości cieczy smarującej związanej ze zwiększeniem wartości jej ciśnienia w strefie styku kontaktowego. Z drugiej strony duża trwałość wielu eksploatowanych przekładni zębatych i minimalne zużywanie się warstw wierzchnich ich wieńców zębatych są nie spotykane w procesach smarowania innych, niż powodujących całkowite oddzielenie współpracujących powierzchni. W rzeczywistości w przekładniach zębatych i łożyskach tocznych występuje specyficzne, odmienne niż w łożyskach ślizgowych, zjawisko smarowania hydrodynamicznego.

Odkształcenia sprężyste powierzchni współpracujących elementów węzłów ślizgowych i zwiększenie lepkości cieczy smarującej są przyczyną istotnych zmian właściwości mechanicznych cieczy smarującej w strefie styku kontaktowego. Nośność elastohydrodynamicznej warstwy smarującej jest co najmniej kilkakrotnie większa od nośności warstwy czynnika smarującego powstającej w warunkach tarcia płynnego.

3.3.4. Smarowanie w warunkach tarcia mieszanego

Tarciem mieszanym nazywany jest proces stanowiący połączenie co najmniej dwóch różnych rodzajów tarcia. Występuje ono wówczas, gdy część powierzchni elementów w strefie tarcia styka się bezpośrednio ze sobą (tarcie suche), a część jest rozdzielona warstwą graniczną czynnika smarującego (tarcie graniczne) lub warstwą nośną cieczy smarującej (tarcie hydrodynamiczne lub elastohydrodynamiczne).

Tarcie mieszane występuje przy niewielkich prędkościach ruchu względnego powierzchni elementów węzłów ślizgowych i dużych naciskach jednostkowych, np. podczas uruchamiania i zatrzymywania maszyn. Wtedy substancja smarująca nie rozdziela całkowicie powierzchni tarcia współpracujących elementów maszyn. Część obciążenia normalnego węzłów ślizgowych jest przenoszona przez mikroobszary bezpośredniego styku warstw wierzchnich elementów, a pozostała część obciążenia przez zespół mikroklinów substancji smarującej, wypełniającej wgłębienia i nierówności powierzchni.

W obszarach styku powierzchni współpracujących elementów może istnieć bezpośrednie mechaniczne oddziaływanie nierówności ich warstw wierzchnich lub pośrednie przez warstwę graniczną substancji smarującej. Procentowy udział obciążenia normalnego przenoszonego przez mikroobszary bezpośredniego styku warstw wierzchnich elementów maszyn ma istotny wpływ na wypadkową wartość oporów tarcia.

3.3.5. Smarowanie hydrostatyczne

Smarowanie hydrostatyczne polega na wytworzeniu między współpracującymi powierzchniami elementów węzłów ślizgowych warstwy cieczy, w której występuje ciśnienie statyczne, wytworzone i podtrzymywane (cyrkulacja cieczy) przez źródło ciśnienia, którego wartość równoważy wartość obciążenia zewnętrznego węzła ślizgowego. Wytworzona warstwa cieczy smarującej oddziela od siebie powierzchnie współpracujących elementów.

Schemat łożysk (poprzecznego i wzdłużnego) smarowanych hydrostatycznie przedstawiono na rys. 3.8.

Rys. 3.8. Schemat łożysk (poprzecznego i wzdłużnego) smarowanych hydrostatycznie

Do głównych zalet smarowania hydrostatycznego można zaliczyć:

Podstawową wadą smarowania hydrostatycznego jest konieczność zastosowania układu smarowania wyposażonego w odpowiednie źródło ciśnienia, co wpływa na wzrost kosztów wytwarzania i eksploatacji maszyn zawierających węzły tarcia smarowane hydrostatycznie.

W procesach konstruowania węzłów ślizgowych maszyn smarowanych w sposób hydrostatyczny istnieje znacznie większa dowolność w zakresie wyboru rozwiązań konstrukcyjnych elementów. Opory tarcia w tych węzłach są bardzo małe w całym zakresie prędkości ruchu względnego powierzchni ślizgowych ich elementów. W związku z tym smarowanie hydrostatyczne stosowane jest w węzłach tarcia wielu maszyn, a w tym:

W łożysku hydrostatycznym ilość energii zużywana na pokonanie oporów tarcia współpracujących elementów węzłów ślizgowych jest znikomo mała w porównaniu z energią zużywaną na zapewnienie odpowiedniej wartości ciśnienia hydrostatycznego w układzie smarowania. W związku z tym w procesach projektowania układów smarowania hydrostatycznego szczególną uwagę należy zwrócić na właściwy dobór cech projektowych układów i ich elementów w odniesieniu do cech sił obciążających węzły ślizgowe maszyn.

3.3.6. Smarowanie gazodynamiczne

Smarowanie gazodynamiczne polega na zapewnieniu warunków do powstania warstwy nośnej gazu między odpowiednio ukształtowanymi i będącymi w ruchu względnym powierzchniami elementów węzłów ślizgowych. W warstwie gazu powstaje ciśnienie dynamiczne równoważące zewnętrzne obciążenie węzła ślizgowego i powodujące całkowite oddzielenie powierzchni ślizgowych elementów maszyn.

Mechanizm zjawiska smarowania gazodynamicznego jest analogiczny do mechanizmu smarowania hydrodynamicznego. Ze względu na znacznie większą ściśliwość gazu niż cieczy cecha ta jest uwzględniona w modelach matematycznych stosowanych do opisu zjawiska smarowania gazodynamicznego. Zasady budowy tych modeli omawiane są, m. in. w pracy.

W warstwie nośnej cieczy powstającej w procesach smarowania hydrodynamicznego wytwarzane są dwa obszary ciśnienia, tzn. nadciśnienie i podciśnienie. Wartości nadciśnienia i podciśnienia smaru są praktycznie niezależne od wartości ciśnienia w otoczeniu węzłów ślizgowych. W przeciwieństwie do tego w procesach smarowania gazodynamicznego węzłów ślizgowych maszyn zmiany wartości ciśnienia otoczenia wywierają istotny wpływ na wartość powstającego w tych węzłach podciśnienia i nadciśnienia. W związku z tym budując modele procesów smarowania gazodynamicznego w równaniu Reynoldsa należy uwzględnić wartość ciśnienia bezwzględnego gazu.

W procesach smarowania gazodynamicznego następują zmiany gęstości i lepkości gazu. Lepkość gazu wzrasta ze wzrostem jego temperatury. W większości analiz smarowania gazodynamicznego zakładane są warunki izotermiczne procesu. Założenie to jest możliwe wówczas, gdy prędkości ruchu względnego elementów węzła ślizgowego mieszczą się w zakresie wartości, w którym opory tarcia i związane z tym wydzielające się ciepło nie powodują istotnego z punktu widzenia celu badań wzrostu temperatury. Tylko dla bardzo dużych prędkości obrotowych wpływ zjawisk cieplnych należy uwzględnić w obliczeniach i analizach.

Grubości warstw nośnych gazu są znacznie mniejsze niż grubość warstw olejowych. Jest to często wielkość porównywalna z wartością chropowatości czopa i panwi łożyska. W związku z tym wszelkie błędy kształtu powierzchni czopa i panwi są przyczyną przemiennego ściskania i rozszerzania gazu w miejscach ich występowania. Na skutek tego w warstwie smarującej gazu powstają obszary podwyższonego i obniżonego ciśnienia, które powodują zaburzenia w rozkładzie ciśnienia i zaburzenia przepływu gazu.

Łożyska gazodynamiczne są obecnie stosowane powszechnie w maszynach przepływowych, we wrzecionach obrabiarek, w urządzeniach kontrolno-pomiarowych, w żyroskopach, wiertarkach dentystycznych, itd.

Zalety decydujące o szerokim zastosowaniu smarowania gazodynamicznego są następujące:

Oprócz wymienionych zalet smarowanie gazodynamiczne ma również wady, takie jak:

3.3.7. Smarowanie gazostatyczne

Smarowanie gazostatyczne polega na oddzieleniu powierzchni ślizgowych elementów maszyn warstwą gazu, którego ciśnienie statyczne, wytworzone przez odpowiednie źródło ciśnienia, równoważy zewnętrzne obciążenie węzła ślizgowego. Mechanizm zjawiska smarowania gazostatycznego jest podobny do mechanizmu smarowania hydrostatycznego. Różnice między smarowaniem cieczą a smarowaniem gazowym są jedynie ilościowe i dotyczą głównie zmian spowodowanych różnymi wartościami lepkości i gęstości obydwu substancji smarujących oraz zmian wartości tych cech.

Zasada budowy modeli opisujących procesy smarowania gazostatycznego jest identyczna, jak w przypadku smarowania hydrostatycznego. Zależności opisujące procesy smarowania łożysk poprzecznych są znacznie bardziej skomplikowane niż odpowiednie zależności stosowane do łożysk wzdłużnych.

3.4. Środki smarne

Środkami smarnymi nazywamy substancje celowo wprowadzane między powierzchnie współpracujących (trących) elementów maszyn modyfikujące opory tarcia oraz zmniejszające intensywność procesów zużycia tych elementów. Jakość i prawidłowy dobór środków smarnych ma istotny wpływ na prawidłowość przebiegu procesu smarowania.

Istnieje duża różnorodność substancji wykorzystywanych jako środki smarne. W zależności od rodzaju i przeznaczenia środków smarnych posiadają one charakterystyczne dla danej grupy cechy. Klasyfikację środków smarnych według kryterium ich głównych cech fizyko-chemicznych przedstawiono w tab. 3.2.

Tab. 3.2. Klasyfikacja środków smarnych według kryterium ich głównych cech fizyko-chemicznych

GAZOWE CIEKŁE PLASTYCZNE STAŁE

  • powietrze

  • azot

  • dwutlenek węgla

  • inne

  • oleje pochodzenia mineralnego (z ropy naftowej)

  • oleje pochodzenia syntetycznego

  • oleje pochodzenia zwierzęcego i roślinnego

  • inne

  • kompozycje olejów mineralnych i mydeł

  • oleje mineralne lub syntetyczne z zagęszczeniem syntetycznym

  • inne

  • materiały krystaliczne lub bezpostaciowe jak: grafit, dwusiarczek molibdenu, itp.

Natomiast na rys. 3.9 przedstawiono podział materiałów smarnych według kryterium ich zastosowania.

Rys. 3.9. Podział materiałów smarnych ze względu na ich zastosowanie

Gazowe środki smarne, przede wszystkim powietrze, stosuje się do smarowania gazodynamicznego lub gazostatycznego. Gaz może być również wykorzystany jako nośnik innego środka smarnego, np. drobin oleju smarnego -smarowanie przy wykorzystaniu tzw. mgły olejowej (smarowanie wysokoobrotowych łożysk tocznych).

Oleje smarne są najczęściej stosowanym środkiem smarnym. Oleje mineralne otrzymuje się z ropy naftowej poprzez destylację, a następnie procesy oczyszczające: rafinację, odparafinowanie i tzw. hydrorafinację. Oleje syntetyczne otrzymuje się poprzez polimeryzację, polikondensację, syntezę chemiczną różnych substancji wyjściowych, węglowodorowych i niewęglowodorowych. Najczęściej stosowane są oleje uszlachetnione specjalnymi dodatkami. Szczególnie dużo dodatków (prawie 30%) zawierają oleje silnikowe przeznaczone do pracy w ciężkich warunkach. Schemat komponowania oleju uszlachetnionego przedstawiono na rys. 3.10.

+ =

Rys. 3.10. Schemat otrzymywania oleju uszlachetnionego

Do głównych zadań olejów smarnych należą:

Smary plastyczne to substancje smarne stanowiące złożony układ koloidalny składający się z fazy rozpraszającej (dyspergującej), fazy rozpraszanej (zdyspergowanej) oraz dodatków uszlachetniających. W wyniku zastosowania właściwych procesów technologicznych, składniki smaru tworzą jednolitą strukturę. Smary plastyczne stanowią najliczniejszą grupę środków smarnych i służą do:

W zależności od budowy smary plastyczne mają nazwy pochodzące od nazwy stosowanej w nich fazy rozpraszanej, którą stanowią zagęszczacze różnego pochodzenia (węglowodorowe, niewęglowodorowe lub syntetyczne). Smary plastyczne są stosowane najczęściej tam, gdzie wymagane jest smarowanie okresowe lub też niecelowe albo niemożliwe jest stosowanie innych środków smarnych ze względu na budowę i charakter pracy węzła tarcia.

Faza ciekła (rozpraszająca) jest podstawowym składnikiem smaru plastycznego. W większości smarów udział masowy fazy ciekłej stanowi 70‑90 %. Jako faza ciekła smarów plastycznych najczęściej są stosowane następujące rodzaje substancji, zwanych olejami bazowymi: oleje mineralne, oleje syntetyczne węglowodorowe, poliglikole, syntetyczne estry oraz ciekłe silikony. Nie wszystkie z tych substancji są wzajemnie mieszalne. Z tego względu, również smary plastyczne, sporządzane na bazie różnych substancji ciekłych, nie w każdym przypadku są mieszalne. W tab. 3.3 przedstawiono wzajemną mieszalność smarów plastycznych w zależności od zastosowanego oleju bazowego, natomiast w tab. 3.4 zestawiono wybrane właściwości najczęściej stosowanych olejów bzowych smarów plastycznych.

Tab. 3.3. Wzajemna mieszalność smarów plastycznych w zależności od zastosowanego oleju bazowego

Olej bazowy mineralny syntetyczny poliglikolowy estrowy silikonowy
mineralny mieszalny mieszalny nie mieszalny mieszalny nie mieszalny
syntetyczny mieszalny mieszalny nie mieszalny mieszalny nie mieszalny
poliglikolowy nie mieszalny nie mieszalny mieszalny nie mieszalny nie mieszalny
estrowy mieszalny mieszalny nie mieszalny mieszalny nie mieszalny
silikonowy nie mieszalny nie mieszalny nie mieszalny nie mieszalny mieszalny

Tab. 3.4. Wybrane właściwości tzw. baz olejowych smarów plastycznych

Baza olejowa smaru Właściwości smarne Właściwości niskotemperaturowe Lotność Oddziaływanie na uszczelnienia Odporność na utlenianie
Parafinowa dobre średnia do złej dobra dobre dobra
Naftenowa dobre dobre dobra średnie do złych średnia do złej
Alkilaty średnie doskonałe do średnich średnia dobre do średnich dobra do średniej
Polibuteny średnie dobre do średnich średnia dobre średnia
Poli(alfa)olefiny dobre doskonałe doskonała dobre doskonała
Poliolestry i di-estry doskonałe doskonałe doskonała średnie do złych doskonała
Poliglikole doskonałe doskonałe średnia złe dobra
Silikony złe doskonałe doskonała dobre doskonała

Najczęściej stosowanymi zagęszczaczami (faza rozpraszana) w składzie smarów plastycznych są mydła proste, hydroksylowe i kompleksowe. Mydła proste są to sole kwasów organicznych: tłuszczowych, żywicznych i naftenowych. Mydła hydroksylowe są to sole kwasów organicznych zawierających w cząsteczce grupę hydroksylową. Mydła kompleksowe mają złożoną (kompleksową) strukturę cząsteczki zagęszczacza. Jako zagęszczacze stosowane są również inne substancje, takie jak: woski, stałe węglowodory, niektóre polimery, a także specjalnie preparowane bentonity czy hydrolizowana krzemionka. W tab. 3.5 przedstawiono wpływ rodzaju zagęszczacza na wybrane własności i właściwości smarów plastycznych.

Składnikami niektórych smarów plastycznych są substancje stałe o dużym stopniu rozdrobnienia, zwane również stałymi dodatkami smarnymi, takie jak: grafit, dwusiarczek molibdenu, proszki metali i inne.

Tab. 3.5. Wpływ rodzaju zagęszczacza na wybrane własności i właściwości smarów plastycznych

Zagęszczacz Temperatura kroplenia [oC] Odporność na wodę Właściwości adhezyjne Stabilność strukturalna
Stearynian Ca 80...105 doskonała dobra doskonała
Stearynian Al 95...140 doskonała doskonała zła
Stearynian Na 150...200 brak dobra średnia
12-hydroksystearynian Ca 150 doskonała dobra dobra
12-hydroksystearynian Li 185...210 dobra dobra doskonała
Kompleks Al 220...250 doskonała doskonała dobra
Kompleks Ca > 280 doskonała doskonała dobra
Kompleks Li >240 dobra doskonała doskonała
Poliuretany 250...280 dobra dobra dobra
Żel krzemionkowy Brak kroplenia średnia średnia średnia
Bentonit średnia zła średnia

Smary stałe - ciała stałe charakteryzujące się stosunkowo małymi siłami spójności (we wszystkich lub tylko w uprzywilejowanych kierunkach) - są to substancje smarne najczęściej o budowie krystaliczno–warstwowej (warstwowa budowa siatki krystalicznej). Materiały te złożone są z warstw atomów, które ze sobą są silnie związane, natomiast pomiędzy warstwami więzi są słabe. Dzięki temu smary stałe są odporne na ściskanie, a podatne na ścinanie (przesuwanie warstw). Smary stałe są odporne na duże naciski jednostkowe oraz na wysoką i niską temperaturę.

Smary stałe stosuje się jako:

Do grupy smarów stałych należą: grafit, dwusiarczek molibdenu, azotek boru, dwusiarczek wolframu, niektóre polimery, np. teflon, żywice fenolowe, oraz koloidalne metale i powłoki metalowe, np. ołów, srebro, bizmut, złoto, ind, kadm. W technice smarowniczej najbardziej rozpowszechnione są grafit i dwusiarczek molibdenu. Do celów smarowniczych używa się grafitu koloidalnego (odmiana anizotropowa grafitu), który charakteryzuje się rozdrobnieniem cząstek poniżej 0,1 μm. Z wodą i frakcjami olejowymi tworzy trwałą zawiesinę koloidalną. W procesie smarowania na powierzchniach trących tworzy grafitową powłokę grafoidu. Powłoka ta jest trwała, odporna na duże naciski i wysoką temperaturę oraz skutecznie zabezpiecza powierzchnie trące przed zatarciem. Dwusiarczek molibdenu jest związkiem chemicznym krystalizującym się w układzie heksagonalnym, dzięki czemu wykazuje zdolności do zmniejszania współczynnika tarcia. Ma dobre własności smarne i dużą odporność na naciski. Stosowany jest jako smar stały w postaci proszku lub pasty, jako zawiesina w oleju lub w lakierze, jako dodatek do smarów plastycznych przeznaczonych do pracy w podwyższonych temperaturach i przy dużych obciążeniach.

3.5. Wybrane właściwości środków smarnych

Ze względu na cel opracowania oraz zakres stosowania poszczególnych rodzajów substancji smarnych w eksploatacji maszyn omówiono tylko najważniejsze cechy wybranych grup materiałów smarnych.

Przydatność użytkową olejów i smarów określają własności reologiczne (lepkościowe), odpowiedzialne za smarowanie w warunkach tarcia płynnego oraz ogólnie rozumiana jakość, obejmująca cechy związane ze spełnianiem pozostałych zadań eksploatacyjnych (utrzymywanie czystości elementów smarowanych i układów smarowania, ochrona przed korozją, itd.).

W przypadku olejów smarnych odpowiednie własności użytkowe uzyskuje się wzbogacając oleje dodatkami uszlachetniającymi jako komponenty indywidualne (wiskozatory, inhibitory utleniania, inhibitory korozji, detergenty i dyspergatory) lub w postaci dodatków wielofunkcyjnych.

Jakość smarów plastycznych zależy również od rodzaju bazy olejowej, rodzaju i ilości zagęszczacza oraz, podobnie jak w olejach, od wprowadzonych dodatków uszlachetniających.

3.5.1. Lepkość

Zasadniczą różnicą między trzema podstawowymi stanami skupienia materii: gazowym, ciekłym i stałym są wzajemne odległości między cząsteczkami, określające wartość sił spójności (kohezji).

W cieczach odległości międzycząsteczkowe są w zakresie wartości, w którym występują siły przyciągania międzycząsteczkowego a cząsteczki mogą swobodnie przemieszczać się względem siebie. Przemieszczanie poszczególnych cząstek lub warstw cząsteczek ciała względem siebie następuje po pokonaniu oporu sił spójności. Im większe są wartości sił spójności, tym większe są opory tarcia wewnętrznego cieczy.

Lepkość płynu jest miarą tarcia wewnętrznego występującego między przemieszczającymi się wzajemnie cząsteczkami lub warstwami cząsteczek płynu. Lepkość decyduje o wartości oporów tarcia płynnego. Wraz ze wzrostem lepkości wzrastają opory tarcia wewnętrznego płynu. Ponadto lepkość płynu jest istotnym czynnikiem warunkującym powstanie warstwy nośnej płynu przy smarowaniu hydro- lub gazodynamicznym oraz wpływa na nośność tej warstwy, tzn. im większa lepkość, tym większa nośność warstwy płynu.

Lepkość cieczy i gazów zależy przede wszystkim od ich temperatury i ciśnienia. Lepkość cieczy wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza się, a lepkość gazów zwiększa się. Ze wzrostem wartości ciśnienia zwiększa się lepkość płynów.

Przepływ cieczy lepkiej charakteryzują następujące cechy:

Przy wzroście temperatury oleju lepkość maleje, a wraz z obniżaniem się jego temperatury lepkość zwiększa się, aż do utraty płynności oleju. Temperaturę płynięcia oleju można oznaczyć wg normy ISO 3016. Miarą wrażliwości oleju na zmiany temperatury jest tzw. wskaźnik lepkości WL.

Lepkość oleju zwiększa się wraz ze wzrostem ciśnienia. Zwiększanie ciśnienia cieczy powoduje zmniejszenie ruchliwości cząstek. Ponadto zwiększone ciśnienie wpływa na zmniejszanie drogi swobodnej ruchu cząstek cieczy. Przy umiarkowanych wartościach ciśnienia zmiany lepkości oleju są niewielkie. W warunkach dużych ciśnień lepkość substancji smarującej może wzrosnąć wielokrotnie. Zjawisko to jest bardzo korzystne z praktycznego punktu widzenia. Im bardziej rośnie ciśnienie wewnętrzne powodujące wyciskanie substancji smarującej ze strefy tarcia, tym większy stawia ona opór.

Wyróżnia się lepkość bezwzględną: dynamiczną i kinematyczną, lepkość względną (umowną) oraz lepkość strukturalną.

Lepkość dynamiczna jest cechą reologiczną cieczy, tzn. taką, która określa jej płynięcie pod wpływem przyłożonych sił (naprężeń) zewnętrznych. Określana jest zależnością:

gdzie:

F - siła styczna działająca na warstwę cieczy,

S - pole powierzchni warstwy cieczy,

y - wysokość szczeliny smarnej,

v - prędkość warstw cieczy,

τ - naprężenie styczne.

Jednostką lepkości dynamicznej jest paskalosekunda .

Lepkość kinematyczna cieczy jest to stosunek jej lepkości dynamicznej η do gęstości cieczy ρ:

Lepkość kinematyczną wyraża się w metrach kwadratowych na sekundę [m2/s].

Lepkość względna (umowna) wykorzystywana jest do porównania lepkości danej cieczy z lepkością cieczy przyjętej za wzorzec. Lepkość względna może być liczbą bezwymiarową lub wyrażana w jednostkach umownych:

W celu oceny własności reologicznych cieczy (głównie olejów silnikowych) w niskich temperaturach wyznacza się tzw. lepkość strukturalną. Oznaczenia lepkości strukturalnej olejów można dokonać za pomocą specjalnego lepkościomierza rotacyjnego CCS (Cold Cranking Simulator), symulującego warunki rozruchu silnika w temperaturach ujemnych. Lepkość strukturalna oleju silnikowego charakteryzuje jego własności i właściwości eksploatacyjne podczas rozruchu silnika.

W tab. 3.6 przedstawiono znormalizowane metody określania lepkości olejów smarnych, natomiast w tab. 3.7 metody wyznaczania wartości wskaźników lepkości olejów.

Tab. 3.6. Metody oznaczania lepkości olejów smarnych

Nr normy
 Przedmiot normy
PN-81/C-04011 Oznaczanie lepkości kinematycznej i obliczanie lepkości dynamicznej.
PN-78/C-04019 Oznaczanie lepkości dynamicznej lepkościomierzem Hopplera.
PN-83/C-04023 Oznaczanie lepkości w niskich temperaturach olejów do przekładni lepkościomierzem Brookfielda.
PN-C-04098:1994 Oznaczanie lepkości dynamicznej HTHS olejów silnikowych lepkościomierzem Ravenfielda.
PN-77/C-04014 Oznaczanie lepkości względnej lepkościomierzem Englera.
PN-88/C-04150 Oznaczanie lepkości strukturalnej olejów silnikowych w niskich temperaturach symulatorem zimnego rozruchu (Cold – Cranking – Simulator).
ISO 3104 Transparent and Opaque Liquds Determination of Kinematic Viscosity. (pomiar lepkości kinematycznej).
ASTM D 4741 Standard Test Method for Measuring Viscosity at High Temperature and High Shear Rate by Tapered-Plug Viscometer.
ASTM D 4683 Standard Test Method for Measuring High Shear Rate Viscosity at High Temperature by Tapered Bearing Simulator. (Pomiar lepkości HTHS z użyciem symulatora łożyska stożkowego – stosowana w USA.).
ASTM D 5293 Standard Test Method for Apparent Viscosity of Engine Oils Between –5 and –30oC Using the Cold – Cranking – Simulator.

Tab. 3.7. Metody wyznaczania wartości wskaźników lepkości olejów smarnych

Nr normy
 Przedmiot normy
PN-79/C-04013
 Obliczanie wskaźnika lepkości na podstawie lepkości kinematycznej w 40 i 100 oC.
PN-73/C-04015 Obliczanie wskaźnika lepkości olejów.
ASTM D 2270
 Standard Practice for Calculating Viscosity Index From Kinematic Viscosity at 40oC and 100oC.
ISO 2909 Calculation of viscosity index from kinematic viscosity.

Dla smarów plastycznych odpowiednikiem lepkości dynamicznej oleju jest tzw. lepkość strukturalna. Określa się ją jako stosunek naprężenia stycznego τ do gradientu prędkości odkształcenia smaru (w danej chwili czasu):

Lepkość strukturalna smarów plastycznych zależy od temperatury i ciśnienia, a także od gradientu prędkości odkształcenia (zmniejsza się ze zwiększeniem tego gradientu) oraz od czasu. Przy stałych wartościach pozostałych parametrów, lepkość smarów plastycznych zmniejsza się wraz wzrostem długości czasu działania naprężenia stycznego wskutek uszkadzania ich struktury.

Oznaczenia lepkości strukturalnej smarów plastycznych można dokonać na podstawie PN-63/C-04146.

3.5.2. Penetracja

Penetracja jest to cecha opisująca konsystencję smarów plastycznych na podstawie wartości wskaźnika penetracji, wyrażanej w dziesiątych częściach milimetra, na którą w badanym smarze zanurzy się znormalizowany stożek (PN-88/C-04133). Głębokość zanurzenia się stożka w smarze jest zależna od jego plastyczności. Stopień plastyczności smaru wyrażony jest przez liczby przyporządkowane poszczególnym głębokościom zanurzenia stożka. W ustalonej temperaturze plastyczność smaru zależy od rodzaju zastosowanego zagęszczacza, jego ilości w smarze i właściwości fazy rozpraszającej (oleju). Wskaźnik penetracji jest podstawowym kryterium doboru smaru do maszyn - smary o większej wartości wskaźnika penetracji mają mniejszą odporność na wyciskanie z przestrzeni roboczych, a smary o mniejszej wartości wskaźnika penetracji trudniej jest wprowadzić do obszaru tarcia. Wartość wskaźnika penetracji zależy od temperatury smaru. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta wartość wskaźnika penetracji (bardziej płynna konsystencja smaru) i na odwrót.

Wartość wskaźnika penetracji oznacza się zgodnie z normami:

3.5.3. Smarność

Smarnością nazywamy właściwość substancji smarnej określającą jej zdolność do tworzenia na powierzchni elementów maszyn trwałej warstwy granicznej czynnika smarującego. Smarność charakteryzuje oddziaływanie substancji smarnej na elementy maszyn w warunkach smarowania granicznego. Zdolność substancji smarnej do wytworzenia trwałej warstwy granicznej, w wyniku adsorpcji (chemisorpcji) cząstek smaru na powierzchniach współpracujących elementów maszyn, charakteryzuje jej właściwości przeciwzatarciowe i przeciwzużyciowe. Miarą smarności jest trwałość warstwy granicznej, mierzona zazwyczaj metodami pośrednimi, przez pomiar współczynnika tarcia, oporów tarcia, obciążenia zacierającego lub stopnia zużycia elementów trących w ściśle określonych warunkach.

Smarność można badać zarówno w warunkach statycznych, jak i dynamicznych. Do najczęściej stosowanych metod badania własności smarnych należą:

W metodzie Timkena właściwości smarne określane są przez najwyższe obciążenie niezacierające, wytrzymałość warstwy smarującej na naciski, współczynnik tarcia oraz zużycie pod najwyższym obciążeniem niezacierającym.

Przy wykorzystaniu aparatu czterokulowego właściwości smarne oceniane są na podstawie wartości wskaźnika zużycia pod obciążeniem, obciążenia zespawania, obciążenia zacierającego oraz granicznego obciążenia zużycia.

Aparaty czterokulowe wyposażone w komplety kulek, wykonanych z różnych materiałów (metali i tworzyw polimerowych) umożliwiają dokonanie oceny wpływu materiałów skojarzonych na trwałość warstwy granicznej.

Poniżej zestawiono najbardziej rozpowszechnione metod oceny smarności materiałów smarnych z zastosowaniem aparatu czterokulowego.

3.5.4. Odporność na utlenianie

Odporność na utlenianie jest cechą substancji smarnej określającą jej podatność (brak podatności) na działanie tlenu, tj. skłonność (brak skłonności) do tworzenia związków chemicznych z tlenem, w warunkach eksploatacji. Odporność na utlenianie zależy od składu chemicznego substancji smarnej oraz skuteczności oddziaływania i zawartości tzw. dodatków przeciwutleniających, które spowalniają procesy tlenowe.

W wyniku utleniania w olejach powstają cząstki stałe bogate w węgiel (karbeny i karboidy), które powodują zanieczyszczenie substancji smarnej oraz produkty kwasowe wywołujące korozję smarowanych elementów. Intensywność przebiegu procesu utleniania oraz rodzaj i postać produktów utleniania substancji smarnej zależy od temperatury.

Ilustracją zależności procesów utleniania od temperatury może być postać produktów utleniania oleju silnikowego występujących w silniku spalinowym. W zależności od temperatury produkty utleniania tworzą na elementach silnika charakterystyczne osady (rys. 3.11), tj.:

Rys. 3.11. Osady występujące w silniku spalinowym

Odporność smarów plastycznych na utlenianie jest oceniana wieloma metodami. Większą podatność na utlenianie posiadają smary zawierające zagęszczacze mydlane, mniejszą zagęszczacz węglowodorowy. Utlenianie smaru powoduje zmiany jego składu chemicznego, wartości wskaźnika penetracji i innych cech. Podczas intensywnego utleniania powstają substancje kwaśne i alkaliczne, powodujące korozję metali.

W tab. 3.8 przedstawiono zestawienie polskich norm dotyczących badań odporności środków smarnych na utlenianie.

Tab. 3.8. Znormalizowane metody badania odporności środków smarnych na utlenianie

Nr normy
 Przedmiot normy
PN-85/C-04075 Oznaczanie pozostałości po koksowaniu metodą Conradsona.
PN-67/C-04080 Badanie odporności olejów na utlenianie.
PN-76/C-04120 Badanie odporności na utlenianie olejów przekładniowych.
PN-76/C-04131 Badanie odporności na utlenianie olejów turbinowych inhibitowanych.
PN-56/C-04143 Smary stałe. Badanie odporności na utlenianie.
PN-83/C-04148 Oznaczanie odporności na utlenianie olejów turbinowych z dodatkami.
PN-73/C-04157 Badanie odporności olejów silnikowych na utlenianie oraz ich działania korodującego w silniku gaźnikowym Petter W1.
PN-80/C-04176 Badanie odporności na utlenianie olejów bez dodatków.
PN-91/C-04191 Oznaczanie odporności na utlenianie olejów do sprężarek powietrza.
PN-C-04365:1997 Badanie działania korodującego i odporności na utlenianie olejów.

3.5.5. Odporność na destrukcję mechaniczną

Zdolność olejów smarnych do zachowania niezmiennej lepkości w czasie pracy maszyny, pod wpływem obciążeń mechanicznych, nazywana jest odpornością na destrukcję mechaniczną. Przyczyną zmian lepkości środków smarnych jest rozrywanie długich łańcuchów węglowodorowych. W przypadku smarów plastycznych odporność na destrukcję mechaniczną jest cechą smaru określającą odporność struktury smaru na naciski i inne wymuszenia mechaniczne.

Odporność na destrukcję mechaniczną materiałów smarnych można określić, m. in. następującymi metodami:

3.5.6. Odporność na pienienie i demulgowanie

W wyniku intensywnego nasycania się powietrzem (aeracji), występuje pienienie się olejów. Zachodzi to zwykle podczas intensywnej pracy maszyn powodującej intensywne mieszanie oleju. Powstawanie nadmiernej ilości piany jest przyczyną strat materiałów smarnych, które wypływają przez zawory odpowietrzające lub występujące w korpusach i pokrywach zespołów maszyn nieszczelności.

Dużą odpornością na pienienie powinny się charakteryzować oleje wykorzystywane m. in. do smarowania szybkoobrotowych przekładni zębatych i smarowania elementów metodą rozbryzgową oraz oleje hydrauliczne i turbinowe.

Oleje o małej lepkości są bardziej podatne na pienienie, ale powstająca piana nie jest trwała. Oleje o większej lepkości, zatrzymują więcej pęcherzyków powietrza, trudniej się pienią, ale powstała piana jest o wiele bardziej trwała niż oleju o małej lepkości.

Odporność na pienienie olejów uzyskuje się dodając do ich składu dodatki antypienne, które obniżają napięcia powierzchniowe pęcherzyków piany, co doprowadza do ich pękania i zaniku.

Odporność na pienienie najczęściej wyraża się objętością powstałej piany w cm3 oraz jej trwałością. Metoda oceny odporności oleju na pienienie (oznaczenie wg PN-85/C-04055) polega na pomiarze objętości piany powstałej w skutek przedmuchiwania powietrza przez próbkę badanego oleju w ciągu 5 minut, a następnie na pomiarze objętości piany po 10 minutach odstania oleju lub pomiarze czasu całkowitego zaniku piany.

Odporność oleju na demulgowanie jest właściwością oleju określającą podatność oleju do tworzenia trwałych emulsji wodno-olejowych, które w znaczny sposób pogarszają własności reologiczne oleju. W celu zwiększenia odporności oleju na demulgowanie stosuje się jako dodatki uszlachetnmiające olej tzw. deemulgatory, tj. substancje aktywne powierzchniowo, wypierające wodę z oleju.

Sposoby oceny odporności olejów na demulgowanie zawierają polskie normy: PN ‑ 86/C ‑ 04065 oraz PN-90/C-04184.

3.5.7. Właściwości ochronne

Często przyczyną nadmiernego (przedwczesnego) zużycia maszyn jest korozja ich elementów pracujących w środowisku olejowym.

Jedną z przyczyn korozji elementów maszyn w środowisku olejowym są zawarte w nim i powstające w czasie funkcjonowania maszyny produkty zużycia i starzenia, takie jak: nadtlenki, kwasy organiczne itp., reagujące z metalami.

Funkcje ochronne oleju silnikowego uzyskuje się poprzez wprowadzenie dodatków alkalicznych, tzw. rezerwy alkalicznej (najczęściej dyspergatory popiołowe), mających neutralizować silne kwasy nieorganiczne. Zawartość tych dodatków charakteryzuje tzw. całkowita liczba zasadowa, wyrażona w mgKOH/g oleju, oznaczana wg PN-76/C-04163. W olejach mogą występować również słabe kwasy organiczne, których miarą jest tzw. liczba kwasowa wyrażana w mgKOH/g oleju wg: PN-85/C-04066, PN-88/C-04049. Całkowitą zawartość kwasów wolnych i związanych określa liczba zmydlenia (PN-83/C-04043). Drugą formą ochrony przed korozją jest dodawanie do oleju bazowego inhibitorów korozji, których zadaniem jest tworzenie, na smarowanej powierzchni, warstwy ochronnej nie dopuszczającej do kontaktu z metalem tlenków i kwasów powstałych w wyniku procesów zużycia i starzenia oleju.

Do oceny cech olejów opisujących skuteczność ich działania przeciwkorozyjnego opracowano wiele metod laboratoryjnych do modelowania warunków eksploatacyjnych. Ocena właściwości ochronnych olejów silnikowych dokonywana jest na podstawie ubytku lub przyrostu masy próbek metalu, a także wizualnej oceny stanu powierzchni próbki metalowej, poddanej działaniu korozyjnemu w określonych warunkach, w porównaniu z przyjętymi wzorcami.

Badania własności przeciwkorozyjnych olejów można przeprowadzać znormalizowanymi metodami (tab. 3.9).

Tab. 3.9. Znormalizowane metody badania właściwości przeciwkorozyjnych olejów smarnych

Nr normy
 Przedmiot normy
PN-57/C-04035 Badanie działania korodującego olejów w aparacie Pinkiewicza.
PN-81/C-04082 Badanie właściwości przeciwkorozyjnych olejów mineralnych.
PN-85/C-04093 Badanie działania korodującego na metale.
PN-73/C-04097 Badanie własności przeciwkorozyjnych w wilgotnej atmosferze.
PN-70/C-04118 Badanie działania korodującego olejów silnikowych w aparacie DK-2 NAMI.
PN-70/C-04127 Badanie działania korodującego olejów smarowych z dodatkami podnoszącymi wytrzymałość na obciążenia.
PN-77/C-04168 Badanie właściwości przeciwrdzewnych olejów przekładniowych.

Właściwości ochronne smarów charakteryzują zdolność smarów do zabezpieczania elementów maszyn przed destrukcyjnym oddziaływaniem czynników zewnętrznych. Właściwości ochronne smarów charakteryzowane są między innymi odpornością na działanie wody, przyczepnością do podłoża, stabilnością strukturalną, itd.

Ochronne właściwości smarów plastycznych, w stosunku do smarowanych elementów maszyn, są oceniane przy zastosowaniu następujących testów:

3.5.8. Właściwości dyspergująco-myjące

Właściwościami dyspergująco-myjącymi nazywamy zdolność materiałów smarnych do izolowania powierzchni metalowych od zanieczyszczeń oraz aglomerowania cząstek zanieczyszczeń i niedopuszczania do ich osadzania się na zewnętrznych, o wysokiej temperaturze powierzchniach elementów maszyn.

Działanie dyspergujące środka smarnego przejawia się zarówno w stosunku do produktów utleniania, jak również względem innych cząstek stałych takich jak: pyły, cząstki metaliczne, sadze oraz cząstek wody.

Do oceny właściwości dyspergująco-myjących materiałów smarnych opracowano wiele metod badawczych umożliwiających dokonanie:

Najbardziej wiarygodna ocena właściwości dyspergująco-myjących olejów dokonywana jest na podstawie wyników badań eksploatacyjnych maszyn.

Oceny właściwości dyspergująco-myjących można dokonać zgodnie z następującymi normami:

3.6. Klasyfikacje olejów smarnych

3.6.1. Klasyfikacja lepkościowa olejów silnikowych wg SAE J 300

Pierwsza klasyfikacja lepkościowa została opracowana w 1911 roku przez Amerykańskie Towarzystwo Inżynierów Samochodowych (Society of Automotive Engineers – SAE). Precyzowała ona wymagania reologiczne w stosunku do olejów letnich i zimowych -posiadające w oznaczeniu literę W. Klasyfikacja wg SAE była wielokrotnie modyfikowana, w celu jej dostosowania do zmieniających się wymagań odnośnie olejów silnikowych.

Aktualnie obowiązująca klasyfikacja lepkościowa olejów silnikowych wg SAE J 300 (grudzień 1995 r.) wyróżnia 11 klas olejów, w tym 6 zimowych (tab. 3.10): 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W oraz 5 letnich: 20, 30, 40, 50, 60. Klasy są uszeregowane według rosnącej lepkości (symbol klasy SAE nie oznacza wartości lepkości).

Klasyfikacja olejów dokonana według norm SAE jest szczególnie przydatna do określania możliwości zastosowania konkretnego oleju do smarowania silnika eksploatowanego w określonych warunkach klimatycznych.

Rys. 3.12. Charakterystyka lepkościowa oleju wielosezonowego 10W-40

Znaczny postęp technologii wytwarzania olejów smarnych i coraz większe wymagania użytkowników spowodowały opracowanie wielosezonowych olejów silnikowych. Mogą one być stosowanie zarówno w warunkach letnich jak i zimowych, dzięki odpowiednio dobranej charakterystyce lepkościowej. Oleje takie wykazują odpowiednio, dla swojej klasy lepkościowej, dużą lepkość w temperaturze wysokiej i odpowiednio małą w niskiej. Dla przykładu olej wielosezonowy, oznaczony jako 10W/40 (lub 10W-40), posiada w niskich temperaturach lepkość oleju zimowego 10W, a w temperaturach wysokich oleju letniego 40 (rys.3.12).

`

Zalecany zakres zastosowania olejów silnikowych określonych klas lepkościowych w zależności od temperatury otoczenia przedstawiono w tab. 3.11. W praktyce eksploatacyjnej producenci pojazdów samochodowych zakres ten poszerzają, a niekiedy zawężają, co związane jest ze szczególnymi właściwościami silnika lub układu smarowania.

3.6.2. Klasyfikacja jakościowa olejów silnikowych wg API

Klasyfikacja jakościowa olejów silnikowych opracowana przez API (American Petroleum Institute) wyróżnia dwie podstawowe grupy olejów silnikowych, tj. oleje:

Klasy jakościowe olejów są oznaczane dwuliterowym kodem. Pierwsza litera kodu oznacza podstawową grupę oleju (S lub C), natomiast druga zakres zastosowania oleju w ramach grupy podstawowej (jakość). Oznaczenie klasy jakościowej olejów przeznaczonych do silników wysokoprężnych (grupa podstawowa C) zawiera dla niektórych klas dodatkowe symbole, najczęściej w postaci cyfry.

Zaliczenie oleju do danej klasy w grupie jest uwarunkowane spełnieniem przez olej wymagań określonych w instrukcjach prób kwalifikacyjnych na silnikach wzorcowych (jednocylindrowych) i pełnogabarytowych. Im dalsza litera alfabetu po literach S lub C jest stosowana w oznaczeniach, tym ostrzejsze wymagania jakościowe spełnia olej (odpowiada wymaganiom nowszej generacji silników). Przykładowo: oleje klasy SF mogą być stosowane do smarowania tych silników, dla których zalecane są klasy SE, SD lub SC. Zamiana odwrotna olejów jest niedozwolona. Oleje uniwersalne, tzn. spełniające wymagania zarówno dla grupy S, jak i C, oznaczane są podwójnymi symbolami literowymi np. SF/CC.

Tab. 3.12. Klasyfikacja jakościowa olejów silnikowych przeznaczonych do silników benzynowych wg API

Symbol klas. API Warunki eksploatacji
SA Lekkie warunki pracy, paliwo niskosiarkowe.
SB Średnie warunki, nieduże obciążenia silnika, paliwo z niską zawartością siarki.
SC Ciężkie warunki, duże obciążenie silnika, konstrukcje silników z lat 1964/67 (amerykańskich).
SD Bardzo ciężkie warunki pracy, duże obciążenia, konstrukcje z lat 1968/70 (USA).
SE Najtrudniejsze warunki, duże obciążenia, konstrukcje z lat 1971/79 (USA).
SF Dalsze utrudnienie warunków pracy, konstrukcje 1980/88 (USA).
SG Dla silników od roku 1989.
SH Dla nowoczesnych silników z zapłonem iskrowym, modele od 1989 roku, fabrycznie przystosowane do eksploatacji olejów energooszczędnych (z modyfikatorem tarcia) wg SAE 5W/40, 5W/50, 10W/40.
SJ Najnowsza klasa, oleje przewyższające wymagania nowoczesnych silników, także pracujących w ekstremalnych warunkach.

Kolejne klasy jakościowe olejów opracowywano sukcesywnie w miarę pojawiania się nowych generacji środków smarnych spełniających coraz wyższe wymagania użytkowników. Najnowsze wymagania stawiane olejom silnikowym wiążą się z ochroną środowiska naturalnego (klasa CF-4), a w tym z dążeniem do zmniejszenia zużycia paliwa (klasa SH).

W tab. 3.12 przedstawiono orientacyjny zakres zastosowania olejów silnikowych z poszczególnych klas jakościowych przeznaczonych do silników z zapłonem iskrowym, natomiast w tab. 3.13 przeznaczonych do silników wysokoprężnych.

Tab. 3.13. Klasyfikacja jakościowa olejów silnikowych przeznaczonych do silników wysokoprężnych wg API

Symbol klas. API Warunki eksploatacji
CA Lekkie warunki pracy, małe obciążenia silnika, paliwo wysokiej jakości (mała zawartość siarki).
CB Warunki łagodne i umiarkowane, paliwo niżej jakości (do 1% siarki), konstrukcje z lat 1949/54.
CC Średnie i ciężkie warunki pracy, silniki lekko doładowane, konstrukcje 1961.
CD Silnik z doładowaniem o dużej mocy, wysokoobrotowe, ciężkie warunki pracy, paliwo o szerokim zakresie jakości, oleje weszły na rynek w roku 1955.
CD-II Wymagania jak dla klasy CD plus dodatkowe, uwzględniające specyfikę silników dwusuwowych.
CE Ciężkie warunki pracy, silniki turbodoładowane, wolnoobrotowe, konstrukcje od 1983.

CF

CF-4

 Do silników z zapłonem samoczynnym, produkowanych od r.1990, duże obciążenia, długotrwała praca, wysokie obroty silnika. Spełniają wymagania co do emisji szkodliwych substancji w spalinach (wg regulacji 1993 r.).
CG-4 Najnowsza klasa (1996/97). Warunki jak dla klasy CF-4, dodatkowo uwzględniono konstrukcję silników najnowszych, energooszczędnych i ekologicznych silników (spełniających amerykańskie normy emisyjne z 1994 roku.

3.6.3. Klasyfikacja jakościowa olejów silnikowych wg ACEA

Klasyfikacja jakościowa olejów silnikowych, tzw. europejska została opracowana przez organizację zrzeszającą europejskich producentów samochodów ACEA (Association of European Automotive Manufactures – Stowarzyszenie europejskich Producentów Samochodów) i zastąpiła wcześniej stosowaną w Europie (w latach 1985 - 1996) klasyfikację jakościową wg CCMC (Committee of Common Market Automobile Constructors – Komitet Konstruktorów Samochodowych Wspólnego Rynku).

Klasyfikacja ta dzieli oleje silnikowe na trzy grupy:

A – oleje do silników benzynowych (tab. 3.14),

B – oleje do silników wysokoprężnych samochodów osobowych (tab. 3.15),

E – oleje do silników wysokoprężnych samochodów ciężarowych (tab. 3.16).

Tab. 3.14. Oleje do silników benzynowych wg klasyfikacji europejskiej ACEA

Symbol klasyfikacji

ZASTOSOWANIE
A2- 96 Do silników benzynowych samochodów osobowych.
A3 - 96 Do silników benzynowych samochodów osobowych, w których występują ciężkie warunki pracy (oleje SAE 0W/XX, 5W/XX i 10W/XX o właściwościach uniwersalnych “stay-in-grade”).
A1 - 96 Stanowi nową klasę, tzw. paliwowooszczędną. Przewiduje się do stosowania w takich samych warunkach jak A2–96. Umożliwia zmniejszenie zużycia paliwa przez silniki, dla których zalecenia eksploatacyjne dopuszczają stosowanie olejów o lepkości HTHS (High Temperature High Shear – przy wysokich wartościach ścinania i temperatury) wynoszącej od 2,9 do 3,5 mPa∙s.

Tab. 3.15. Oleje do silników wysokoprężnych samochodów osobowych wg klasyfikacji europejskiej ACEA

Symbol klasyfikacji

ZASTOSOWANIE
B2 - 96 Do silników wysokoprężnych samochodów osobowych.
B3 - 96

Do nowych konstrukcji silników wysokoprężnych samochodów osobowych, w których występują ciężkie warunki pracy (oleje SAE 0W/XX, 5W/XX i 10W/XX o właściwościach uniwersalnych “stay-in-grade”).

Do silników wysokoprężnych samochodów osobowych, dla których zalecenia eksploatacyjne dopuszczają stosowanie dłuższych przedziałów czasu (większych „przebiegów” w km) pomiędzy wymianami oleju.
B1 - 96 Stanowi nową klasę, tzw. paliwowooszczędną. Przewiduje się do stosowania w takich samych warunkach jak B2–96. Umożliwia zmniejszenie zużycia paliwa przez silniki, dla których zalecenia eksploatacyjne dopuszczają stosowanie olejów o lepkości HTHS (High Temperature High Shear – przy wysokich wartościach ścinania i temperatury) wynoszącej od 2,9 do 3,5 mPa∙s.

Tab. 3.16. Oleje do silników wysokoprężnych samochodów ciężarowych wg klasyfikacji europejskiej ACEA

Symbol klasyfikacji

ZASTOSOWANIE
E1 - 96 Do niedoładowanych silników z zapłonem samoczynnym (wysokoprężnych) samochodów ciężarowych
E2 - 96 Do silników z zapłonem samoczynnym (wysokoprężnych) samochodów ciężarowych spełniających normę tzw. EURO I.
E3 - 96 Do silników z zapłonem samoczynnym (wysokoprężnych) samochodów ciężarowych spełniających normę tzw. EURO IIDo silników z zapłonem samoczynnym (wysokoprężnych) samochodów ciężarowych spełniających normę tzw. EURO I..

3.6.4. Inne klasyfikacje olejów silnikowych

Stosuje się również następujące klasyfikacje olejów silnikowych:

Klasa oleju

Zastosowanie
TA Motorowery i inne małe silniki (do 50 cm3)
TB Skutery i inne wysokoobciążone małe silniki (50 – 200 cm3)
TC Różnorodne silniki wysilone (20 – 500 cm3)
TD Duże silniki zaburtowe (np. łodzie motorowe)
TE Poprawiona klasa TD (lepsza smarność i biodegradalność)

3.6.5. Klasyfikacje olejów przekładniowych (motoryzacyjnych)

Klasyfikacja lepkościowa olejów przekładniowych wg SAE J 306

Klasyfikacja lepkościowa olejów przekładniowych stosowanych do środków transportu została opracowana przez Amerykańskie Towarzystwo Inżynierów Samochodowych (Society of Automotive Engineers – SAE). Obecnie obowiązująca klasyfikacja wg SAE J 306 (tab. 3.18) wyróżnia trzy klasy oleju zimowego: 75W, 80W, 85W oraz trzy klasy oleju letniego: 90, 140, 250.

Tab. 3.18. Klasyfikacja lepkościowa olejów przekładniowych wg SAE J 306

Klasa lepkościowa Lepkość kinematyczna w 100oC [mm2/s]

Maks. temp.[ oC],

w której lepkość oleju wynosi 150000 mPas

min. max.
75W 4,1 -
80W 7,0 -
85W 11,0 -
90 13,5 < 24,0
140 24,0 < 41,0
250 41,0 -

Wielosezonowe oleje przekładniowe - tzn. oleje spełniające zarówno wymagania stawiane olejom przeznaczonym do stosowania w wysokich temperaturach otoczenia (oleje letnie) jak i olejom przeznaczonym do stosowania w niskich temperaturach otoczenia (oleje zimowe) oznacza się symbolem podwójnym, np. 80W/90, 80W/140.

Klasyfikacja jakościowa olejów przekładniowych wg API

Klasyfikacja jakościowa olejów przekładniowych wg API (American Petroleum Institute) wyróżnia pięć klas jakościowych. Symbol klasy składa się z dwóch liter GL (Gear Lubricant – olej przekładniowy) oraz liczby od 1 do 5 (tab. 3.19).

Tab. 3.19. Klasyfikacja jakościowa olejów przekładniowych wg API

Symbol klasyfikacji Charakterystyka Zastosowanie
GL - 1 Olej uniwersalny bez dodatków Przekładnie z ręczną zmianą biegów (w ciągnikach rolniczych i samochodach ciężarowych)
GL - 2 Olej uniwersalny wzbogacony dodatkami przeciwutleniającymi i przeciwkorozyjnymi. Do cięższych warunków pracy niż GL - 1.
GL - 3 Wzbogacony w stosunku klasy GL ‑ 2 o dodatki smarnościowe (EP) Przekładnie walcowe i stożkowe; umiarkowane warunki pracy.
GL - 4 Więcej dodatków smarnościowych niż w klasie GL - 3 Przekładnie średnio obciążone w tym hipoidalne, pracujące przy dużej prędkości i małym momencie obrotowym(lub odwrotnie).
GL - 5 Podstawowa klasa olejów przekładniowych samochodowych o wysokiej jakości Przekładnie hipoidalne i inne pracujące w umiarkowanych i ciężkich warunkach

Oleje należące do klasy GL – 5 zawierają szeroką gamę dodatków uszlachetniających i zalecane są do smarowania przekładni głównych. Oleje klasy GL – 4 zalecane są do skrzyń biegów. Oleje należące do pozostałych klas jakościowych obecnie są bardzo rzadko stosowane.

3.6.6. Klasyfikacje olejów przemysłowych

Klasyfikacja lepkościowa olejów przemysłowych

W klasyfikacji lepkościowej olejów przemysłowych (PN-78/C-96098 oraz ISO 3448) wyróżniono 18 klas lepkości olejów na podstawie wartości lepkości kinematycznej w zakresie 2 ÷ 1500 mm2/s (cSt) w temperaturze 40 oC (tab. 3.20).

Tab. 3.20. Klasyfikacja lepkościowa olejów przemysłowych wg ISO 3448 i PN-78/C-96098

Symbol klasy lepkości wg ISO 3448 Symbol klasy lepkości wg PN-78/C-96098

Średnia lepkość kinematyczna w tem. 40oC,

[mm2/s (cSt)]

 Przedziały klasowe lepkości [mm2/s (cSt)] w 40oC
VG2 2 2,2 1,98 ÷ 2,42
VG3 3 3,2 2,88 ÷ 3,52
VG5 5 4,6 4,14 ÷ 5,06
VG7 7 6,8 6,12 ÷ 7,48
VG10 10 10 9,0 ÷ 11,0
VG15 15 15 13,5 ÷ 16,5
VG22 22 22 19,8 ÷ 24,2
VG32 32 32 28,8 ÷ 35,2
VG46 46 46 41,4 ÷ 50,6
VG68 68 68 61,2 ÷ 74,8
VG100 100 100 90,0 ÷ 110,0
VG150 150 150 135 ÷ 165
VG220 220 220 198 ÷ 242
VG320 320 320 288 ÷ 352
VG460 460 460 414 ÷ 506
VG680 680 680 612÷ 748
VG1000 1000 1000 900÷ 1100
VG1500 1500 1500 1350÷ 1650

Symbol klasy lepkości wg normy polskiej oznaczany jest liczbą oznaczającą średnią wartość lepkości kinematycznej. Według normy ISO liczba ta poprzedzona jest symbolem VG (Viscosity Grade – poziom lepkości).

Klasyfikacja jakościowa olejów przemysłowych

Klasyfikacje jakościowe olejów przemysłowych dzielą oleje ze względu na ich zastosowanie na poszczególne grupy zastosowań, np. ogólna klasyfikacja olejów smarnych wg ISO 6743 (tab. 3.21) lub wg PN-84/C-96099. W ramach grupy olejów wyróżnia się podgrupy (klasy jakości) określające w sposób bardziej szczegółowy zakres zastosowań oleju (tab. 3.22).

Tab. 3.21. Ogólna klasyfikacja olejów smarnych wg ISO 6743

Tab. 3.22. Klasyfikacja jakościowa olejów smarnych grupy A (odkryte układy smarowania) wg ISO 6743/1

3.7. Klasyfikacje smarów plastycznych

Najczęściej stosowane kryteria klasyfikacji smarów plastycznych to:

Klasyfikacja smarów plastycznych wg kryterium składu chemicznego

Klasyfikacja smarów plastycznych wg kryterium konsystencji

Powszechnie stosowana klasyfikacja smarów plastycznych wg kryterium konsystencji opracowana przez Amerykański Instytut Smarów Plastycznych (NLGI - National Lubricating Greases Institute) wyróżnia 9 rodzajów konsystencji smarów (tab. 3.23). W Polsce stosuje się również klasyfikację zgodną z PN-85/C-04095, w której wyróżniono 10 rodzajów konsystencji smarów plastycznych.

Tab. 3.23. Klasyfikacja smarów plastycznych na podstawie kryterium konsystencji wg NLGI

Klasyfikacja smarów plastycznych wg kryterium właściwości użytkowych

W praktyce eksploatacyjnej klasyfikacje środków smarnych wg kryterium właściwości użytkowych stanowią główny wyznacznik doboru środka smarnego do konkretnego węzła tarcia i istniejących warunków współpracy elementów.

Klasyfikacja smarów plastycznych wg kryterium właściwości użytkowych nazywana jest klasyfikacją jakościową. Najczęściej wykorzystywaną klasyfikacją jakościową smarów plastycznych jest klasyfikacja zgodna z normą ISO 6743-9 (tab. 3.24). W tab. 3.25 jako uzupełnienie klasyfikacji jakościowej przedstawiono zachowanie się smarów wobec wody.

Tab. 3.24. Klasyfikacja jakościowa smarów plastycznych wg ISO 6743-9

Literowy symbol grupy Temperatura

Zachowanie się wobec wody

Symbol 3

Właściwości EP

Symbol 4

Klasa NLGI

Symbol 5
Minimalna w oC Symbol 1 Maksymalna w oC Symbol 2
X 0 A 60 A
-20 B 90 B
-30 C 120 C
-40 D 140 D
<-40 E 160 E
180 F
>180 G

Tab. 3.25. Zachowanie się smarów plastycznych wobec wody wg ISO 6743-9

Środowisko Właściwości przeciwrdzewne Symbol 3
L L A
L M B
L H C
M L D
M M E
M H F
H L G
H M H
N H I

Środowisko

L - sucha atmosfera

M - normalna atmosfera

H - działanie wody

Właściwości przeciwrdzewne

L – brak właściwości przeciwrdzewnych

M – ochrona wobec wody destylowanej

H – obrona wobec wody morskiej

3.8. Dodatki uszlachetniające do olejów i smarów i plastycznych

Dodatkami uszlachetniającymi nazywamy związki chemiczne dodawane do smaru (oleju, smaru plastycznego) w ilości odpowiadającej od kilku setnych procenta do kilkunastu procent masy smaru w celu polepszenia jego właściwości użytkowych. Rodzaj i ilość wprowadzonych dodatków uszlachetniających zależą od przeznaczenia smaru. Wszystkie dodatki uszlachetniające dodawane do smaru powinny się dobrze w nim rozpuszczać oraz wzajemnie mieszać, nie mogą być toksyczne i mieć przykrego zapachu. Poprawiając jedną właściwość smaru nie mogą wpływać ujemnie na inne jego właściwości, nie mogą również reagować między sobą i wytrącać się.

Ze względu na spełniane funkcje dodatków w oleju rozróżniane są następujące ich rodzaje:

Dodatki wielofunkcyjne

Dodatki wielofunkcyjne są to substancje polepszające kilka istotnych cech substancji smarnej. Składają się z jednego lub kilku związków chemicznych. Najczęściej stosowane dodatki wielofunkcyjne to: sole cynkowe i sole innych metali kwasu dwualkilodwutiofosforowego.

Dodatki smarne

Związki chemiczne o budowie przeważnie polarnej, dodawane do oleju w ilości stanowiącej do kilku procent masy oleju, zwiększające trwałość filmu olejowego (zwiększające smarność oleju). Mechanizm ich działania polega na oddziaływaniu fizycznym powodującym tworzenie warstewki cząstek oleju związanych z powierzchnią smarowanego elementu siłami fizycznymi, np. elektrostatycznymi lub chemicznymi, gdy tworzenie warstwy granicznej smaru następuje w wyniku reakcji oleju z metalem. Warstewki te dzięki swoistym właściwościom chronią smarowane powierzchnie przed zużyciem i zatarciem oraz zmniejszają opory ruchu. Dodatki smarne są zazwyczaj organicznymi związkami siarkowymi (np. siarkowane oleje roślinne, siarkowane estry kwasów tłuszczowych, dwusiarczek dwubenzylu, dwusiarczek molibdenu), związkami chlorowymi, (np. chloroparafina, chlorowane terpeny, woski, żywice, tłuszcze, estry), fosforowymi (np. alkilofosforany, fosforyny trójkrezylu i trójfenylu) oraz siarkowo-chlorowymi, chlorofosforowymi, siarkofosforowymi.

Dodatki przeciwutleniające

Dodatki przeciwutleniające, tzw. inhibitory utleniania są to związki chemiczne opóźniające proces utleniania oleju. Działanie dodatków przeciwutleniających polega na reagowaniu z pośrednimi produktami utleniania i na przerwaniu w ten sposób łańcuchowej reakcji utleniania. Najbardziej rozpowszechnione dodatki przeciwutleniające, to: pochodne fenoli i amino-fenoli, alkilofenole cynku, związki siarkowe i fosforowe, związki metaloorganiczne oraz sole kwasów tłuszczowych. W olejach silnikowych rolę antyutleniacza spełnia dialkiloditiofosforan cynku, tzw. ZDDP, który jest podstawowym dodatkiem przeciwzużyciowym.

Dodatki przeciwkorozyjne

Dodatki przeciwkorozyjne, tzw. inhibitory korozji są to związki chemiczne, które na smarowanej powierzchni tworzą warstewkę ochronną nie dopuszczającą do bezpośredniego oddziaływania chemicznego z metalem tlenków i kwasów powstałych podczas starzenia oleju. Ponadto dodatki przeciwkorozyjne zobojętniają związki o charakterze kwaśnym i hamują procesy powstawania związków wywołujących korozję. Pod względem chemicznym są to głównie pochodne organiczne siarki i fosforu, np. siarkowane olefiny, alkilofosforany, dwutiofosforany.

Dodatki myjące

Dodatki myjące, tzw. detergenty, czyli substancje posiadające zdolności zmywania osadów tworzących się w czasie starzenia oleju i utrzymywania ich w postaci zawiesiny, co uniemożliwia odkładanie się ich na powierzchniach smarowanych elementów. Mechanizm działania myjącego polega na procesach sorpcji dodatków myjących na powierzchniach cząstek osadów (żywic, nagarów, koksów) i powstawaniu na ich powierzchniach jednoimiennych ładunków elektrycznych powodujących wzajemne odpychanie cząsteczek. Zapobiega to łączeniu się cząstek osadów w aglomeraty. Dodatki myjące są dodawane do oleju zawsze łącznie z dodatkami przeciwkorozyjnymi i przeciwutleniającymi, ponieważ często przyspieszają utlenianie olejów. Jako dodatki myjące są stosowane, np.: sulfoniany wapnia, sole lub siarczki alkilofenoli, estry kwasu salicylowego.

Dodatki dyspergujące

Dodatki dyspergujące, tzw. dyspergatory są to substancje rozpraszające osady i utrzymujące je w zawiesinie, rozpuszczające związki asfaltowo-żywiczne i przeciwdziałające tworzeniu się szlamów. Dyspergatory są dodawane głównie do olejów silnikowych. Pod względem budowy chemicznej dodatki dyspergujące dzielą się na bezpopiołowe i popiołowe. Dodatki dyspergujące bezpopiołowe są to zazwyczaj pochodne kwasu bursztynowego, a do dodatków dyspergujących popiołowych należą: sulfoniany, fosfoniany, fenolany, alkilosalicylany wapnia, baru i magnezu.

Dodatki myjąco-dyspergujące

Dodatki myjąco-dyspergujące są to związki chemiczne posiadające właściwości myjące i rozpraszające. Do najskuteczniejszych dodatków myjąco-dyspergujących należą: alkilofenole, produkty reakcji alkilofenoli z siarczkami fosforu, sulfokwasy naftowe, syntetyczne kwasy alkiloarylosulfonowe, itd.

Dodatki lepkościowe (modyfikatory lepkości)

Dodatki lepkościowe (modyfikatory lepkości), tzw. wiskozatory są to związki chemiczne, zazwyczaj wielkocząsteczkowe polimery, np. (poliakrylany, polimetakrylany, poliizobutyleny), dodawane do olejów, w celu zwiększenia ich lepkości i poprawienia ich właściwości lepkościowo-temperaturowych (wskaźnika lepkości). Poprawa właściwości lepkościowo-temperaturowych oleju oznacza, iż przy wzroście temperatury oleju zawierającego tego rodzaju dodatki następuje w mniejszym stopniu, w stosunku do oleju nie zawierającego tych dodatków, zmniejszenie jego lepkości. Natomiast przy obniżaniu się temperatury oleju jego lepkość mniej wzrasta. Większość dodatków lepkościowych obniża również temperaturę krzepnięcia olejów.

Dodatki przeciwzatarciowe, tzw. dodatki EP (Extreme Pressure)

Dodatki przeciwzatarciowe, tzw. dodatki EP (Extreme Pressure) są to substancje polepszające zdolność olejów i smarów do przenoszenia dużych obciążeń i zapewniające właściwe smarowanie przy bardzo dużych naciskach jednostkowych.

Dodatki obniżające temperaturę krzepnięcia (płynięcia) olejów

Dodatki obniżające temperaturę krzepnięcia (płynięcia) olejów, tzw. depresatory są to substancje chemiczne (najczęściej produkty alkilowania naftalenu lub fenolu chloroparafinami, polimetakrylany, wysokocząsteczkowe ketony, produkty kondensacji alkilofenolu z bezwodnikiem ftalowym i inne) obniżające temperaturę krzepnięcia (płynięcia) oleju i zwiększające płynność oleju w niskiej temperaturze. Adsorbowane są w postaci cienkiej warstwy na powierzchniach węglowodorów stałych (przede wszystkim parafin), nie dopuszczając do ich wzrostu, łączenia się i aglomeracji, która utrudnia płynięcie oleju. Większość dodatków lepkościowych również wykazuje cechy depresatorów.

Dodatki deemulgujące

Dodatki deemulgujące, tzw. deemulgatory są to substancje przeciwdziałające tworzeniu się trwałych emulsji olejowo-wodnych w razie przedostania się wody do układu smarowania. Działanie dodatków deemuglujących polega na niszczeniu błonki ochronnej powstającej na rozproszonych cząstkach wody w produkcie naftowym.

Dodatki przeciwzużyciowe, tzw. dodatki AW (Anti Wear)

Dodatki przeciwzużyciowe są to substancje, które dodane do oleju smarnego polepszają jego właściwości przeciwzużyciowe. Mechanizm działania dodatków przeciwzużyciowych polega na reakcji chemicznej dodatku z powierzchnią smarowaną i wytworzeniu warstwy granicznej charakteryzującej się małym oporem tarcia granicznego. Reaktywność dodatków AW z materiałem powierzchni smarowanych elementów maszyn silnie zależy od rodzaju tego materiału. Często stosowanym dodatkiem AW do olejów silnikowych jest dialkiloditiofosforan cynku, tzw. ZDDP. Posiada on również właściwości przeciwutleniające i przeciwzatarciowe.

Modyfikatory tarcia

Modyfikatorami tarcia nazywa się rodzaj dodatków smarnych, których działania polega na tworzeniu się warstewki substancji smarnej na smarowanym elemencie w wyniku oddziaływania fizycznego. Ich działanie rozpoczyna się w niższych temperaturach i przy mniejszych wartościach nacisków niż dodatków tworzących z materiałem smarowanego elementu wiązanie chemiczne.

3.9. Ekologiczne aspekty eksploatacji olejów smarnych

Rozwój cywilizacyjny wiąże się ze wzrostem zużycia paliw, materiałów smarnych i różnorodnych innych materiałów eksploatacyjnych. Znaczna ich część wykazuje negatywne oddziaływanie na środowisko naturalne i zdrowie ludzi.

Oleje smarne stanowią zagrożenie dla środowiska naturalnego na wszystkich etapach ich produkcji i stosowania. Mogą one trafiać do otoczenia w czasie produkcji, transportu, napełniania układów smarowania, w czasie pracy w układzie smarowania, wymiany, utylizacji, a szczególnie w wyniku niekontrolowanego pozbywania się przez użytkowników zużytych olejów smarnych bez ich utylizacji.

Nie zagospodarowane produkty naftowe trafiają do gleby oraz wód powierzchniowych i gruntowych. Charakterystyczną cechą wszystkich węglowodorów jest ich znikoma rozpuszczalność w wodzie oraz skłonność do tworzenia na jej powierzchni trwałych, cienkich warstewek. Zanieczyszczenie biosfery następuje także w wyniku spalania produktów naftowych, w tym zużytych olejów smarnych, poprzez emisję dwutlenku siarki, związków chloroorganicznych i metali ciężkich. w związku z powyższym prowadzone są próby określenia optymalnego składu chemicznego oleju smarnego z punktu widzenia ochrony środowiska, np. w olejach silnikowych ogranicza się zawartość fosforu, który obniża efektywność funkcjonowania katalizatorów spalin. Podejmuje się również szereg działań zmierzających do udoskonalenia istniejących oraz opracowania nowych metod utylizacji zużytych środków smarnych.

Oleje smarne najczęściej są kompozycjami bazy olejowej i dodatków uszlachetniających, modyfikujących właściwości bazy. Znaczna część baz olejowych to oleje mineralne, pochodzące z procesów przetwarzania ropy naftowej i recyklingu zużytych mineralnych środków smarnych. Druga grupa baz to produkty syntetyczne, przede wszystkim poliestry. Ostatnio nabierają znaczenia bazy biodegradowalne, uzyskiwane z olejów roślinnych lub zwierzęcych. Toksyczność olejów naftowych jest różna i zależna jest od ich składników. Wszystkie mineralne oleje bazowe mają stosunkowo niski stopień toksyczności. Dodatki uszlachetniające zawierające związki siarki, chloru, fosforu, azotu oraz związki metaloorganiczne zwiększają stopień toksyczności olejów smarnych.

Wpływ olejów smarnych na środowisko wyznaczają trzy czynniki: skład chemiczny, warunki pracy i racjonalność eksploatacji. Oczywiście, skład chemiczny jest w tym względzie czynnikiem determinującym. Charakteryzuje on potencjalne oddziaływanie na środowisko oraz wyznacza najbardziej ekologicznie i ekonomicznie uzasadniony sposób eksploatacji olejów.

Wyróżniające się bogactwem asortymentowym oleje silnikowe należą do najbardziej rozpowszechnionych i rozproszonych, a jednocześnie najbardziej niebezpiecznych ekologicznie płynów eksploatacyjnych. Zdecydowana większość z nich podlega okresowym wymianom wynikającym z pogorszenia właściwości oleju w wyniku procesów starzenia i zużycia.

W krajach rozwiniętych około 50% olejów smarnych ulega bezpowrotnemu zużyciu, tzn. że w taki lub inny sposób dostają się one do środowiska (wycieki, rozlania, parowanie, itd.). Szczególnie szkodliwymi dla środowiska, a także dla zdrowia człowieka składnikami olejów smarnych są węglowodory aromatyczne, węglowodory nienasycone, związki zawierające heteroatomy (siarkę, azot, tlen, fluorowce).

Pewne ilości związków aromatycznych, w tym wielopierścieniowych, występują w większości rodzajach ropy naftowej oraz produktach jej przeróbki. Ilość i rodzaj tych związków zależna jest od pochodzenia ropy i zastosowanej metody przeróbki.

Produkty spalania olejów syntetycznych są z reguły mniej toksyczne niż olejów mineralnych i jednocześnie nie powodują uszkodzeń katalizatorów.

Współczesne oleje smarne zawierają od kilku do kilkudziesięciu procent różnorodnych dodatków uszlachetniających, poprawiających ich właściwości. Największa zawartość dodatków, pod względem ilościowym i ich różnorodności, występuje w olejach silnikowych. Przygotowując kompozycję smarną uwzględnia się oddziaływanie międzycząsteczkowe dodatków, prowadzące do synergizmu lub antagonizmu ich działania. Coraz powszechniej używa się związków chemicznych poszczególnych dodatków, osiągając podwyższenie koncentracji związku aktywnego w dodatku, zmniejszając zużycie surowców, a także podwyższając efektywność dodatków.

Poszukuje się możliwości zastąpienia dodatków zawierających ołów, bar, azotyny, fosforan trójkrezytu, chlor itp. związkami mniej toksycznymi. W zdecydowanej większości przypadków koncentracja dodatków w oleju nie stanowi bezpośredniego zagrożenia dla zdrowia człowieka.

Postęp w konstrukcji silników wymusza bardzo szybki wzrost wymagań jakościowych w stosunku do środków smarnych. Nowe generacje silników narzucają konieczność zapewnienia lepszego smarowania i czystości silników przy jednocześnie ostrzejszych reżimach termicznych, mniejszym zużyciu oleju i wydłużonym okresie jego eksploatacji.

Jedną ze znaczących przyczyn skażenia środowiska produktami naftowymi jest niska jakość uszczelnień układów zasilania i smarowania. Szczególnie trudne jest dobranie odpowiednich materiałów uszczelniających dla olejów silnikowych, zawierających stosunkowo dużo dodatków uszlachetniających. W tym względzie najbardziej niekorzystne działanie wykazują dodatki przeciwzużyciowe, przeciwzatarciowe i inhibitory oksydacji, w których składzie obecne są siarka, fosfor, chlor i azot.

Wymiana oleju silnikowego w samochodach osobowych odbywa się obecnie co 10÷30 tys. km przebiegu, natomiast w samochodach ciężarowych zwykle co 40÷100 tys. km przebiegu. Kryteria ekologiczne i wymagania techniczne zmuszają do weryfikacji strategii eksploatacji olejów silnikowych. W aspekcie ekologicznym wymagania jakościowe stawiane współczesnym olejom silnikowym wynikają z dążenia, m. in. do:

Tak więc podstawowe warunki zmian wymagań jakościowych olejów silnikowych dotyczą zmniejszenia zużycia paliwa, trwałości silnika, toksyczności spalin, wydłużenia okresów między wymianami olejów i innych aspektów ochrony środowiska naturalnego.

W wielu krajach podejmowane są działania legislacyjne zmierzające do coraz większego ograniczenia zawartości substancji szkodliwych dla środowiska naturalnego w spalinach emitowanych przez silniki spalinowe. Powoduje to konieczność wprowadzania zmian w konstrukcjach silników, a także zmiany składu oraz właściwości paliw i olejów silnikowych. Oleje silnikowe powinny być zdolne do długotrwałego użytkowania bez konieczności ich uzupełniania lub przy niewielkich objętościach uzupełnień (brak tzw. odświeżania). W olejach przeznaczonych do silników wysokoprężnych dąży się do poprawienia właściwości dyspergujących poprzez wprowadzenie efektywnych, bezpopiołowych dyspergentów. Dobre zdyspergowanie nierozpuszczalnych zanieczyszczeń (przede wszystkim sadzy) zapobiega wzrostowi lepkości oleju. Oleje użytkowane w trudnych warunkach eksploatacji mają tendencję do gromadzenia dużej ilości drobnozdyspergowanej sadzy (brak efektywnej filtracji w zakresie małych cząstek). Obniżenie zawartości zanieczyszczeń nierozpuszczalnych w oleju poprawia jego właściwości przeciwzużyciowe i odporność na utlenianie, co wydłuża jego przydatność eksploatacyjną.

Oddzielny i praktycznie nie rozwiązany problem stanowi oczyszczanie gleby i wód z produktów petrochemicznych. Z różnych względów jedyną rozsądną drogą jest wykorzystanie odpowiednich mikroorganizmów. Jednak oleje naftowe charakteryzują się wysoką odpornością na ich działanie. Jest to główna przyczyna ich wysokiej trwałości w przypadku trafienia do środowiska naturalnego. Odporność węglowodorów na rozkład biologiczny wzrasta wraz ze wzrostem długości łańcucha, ilości rozgałęzień, obecności w cząsteczce pierścieni aromatycznych i wzrostu ich liczebności w cząsteczce. Właśnie tego typu związki występują w dużych ilościach w olejach smarnych i z tych względów tak trudna jest likwidacja zanieczyszczenia środowiska (rekultywacja środowiska) olejami. Dotychczasowe badania wykazały, że jedynie około 100 gatunków bakterii jest zdolnych rozkładać węglowodory, przy czym na ogół każdy gatunek tylko określone związki. Stwierdzono, że niektóre mikroorganizmy mogą się rozwijać w oleju na tyle, że potrafią pogorszyć jego właściwości eksploatacyjne (lepkość, liczba kwasowa, smarność). W próbkach olejów świeżych, olejów po 6-miesięcznym magazynowaniu i olejów przepracowanych zidentyfikowano ponad 55 szczepów grzybów i 100 kultur bakterii. Większość z nich jest jednak zbyt mało aktywna, aby gwarantować rozkład oleju na proste substancje w warunkach naturalnych. Trwają próby wytworzenia odpowiednio aktywnych mikroorganizmów. Należy jednak mieć na uwadze fakt, że wykorzystanie mikroorganizmów w celu likwidacji zanieczyszczenia środowiska produktami naftowymi znajduje się na etapie eksperymentów oraz że nie sposób określić zagrożenia, jakie może spowodować ich wprowadzenie do ekosystemu. Jednym z głównych problemów jest stworzenie warunków ich ukierunkowanego działania, zabezpieczających przed ich nie kontrolowanym rozwojem w produktach naftowych, znajdujących się w eksploatacji.

Na początku XX wieku do smarowania węzłów tarcia maszyn używano olejów roślinnych (rycynowy, rzepakowy, oliwkowy, lniany, kokosowy, itd.). Później zostały one wyparte przez tańsze oleje naftowe. Obecnie, w wyniku rosnącego zanieczyszczenia środowiska, którego znaczącym źródłem są materiały smarne, oraz ograniczonych rezerw ropy naftowej rośnie zainteresowanie wykorzystaniem olejów roślinnych do celów smarnych. Ich głównymi zaletami jest praktycznie całkowita biodegradacja i łatwość odtwarzania surowca wyjściowego. Ocenia się, że bez szkód technicznych już obecnie około 80% używanych środków smarnych może być zastąpionych produktami biodegradowalnymi.

Biodegradowalne środki smarne otrzymywane są z olejów pochodzenia naturalnego lub syntetycznego. Do olejów naturalnych należą przede wszystkim oleje roślinne: rzepakowy, słonecznikowy i w niewielkim zakresie tłuszcze zwierzęce.

Z innych potencjalnych zastosowań olejów roślinnych na uwagę zasługuje możliwość produkcji z nich alternatywnych, w stosunku do naftowych, paliw silnikowych. Energetyczne właściwości paliw otrzymywane z większości olejów roślinnych są zbliżone do siebie, ale niższe o około 10% od energetycznych właściwości oleju napędowego otrzymywanego z ropy naftowej. Jedynie paliwa otrzymywane z oleju rzepakowego mają prawie identyczną wartość energii spalania, jak paliwa pochodzące z ropy naftowej.

Wydaje się, że oleje roślinne dzięki swym właściwościom stanowią surowiec, który w przyszłości może w znacznej mierze zastąpić ropę naftową i umożliwić produkcję przyjaznych ekologicznie paliw i środków smarnych. Uwzględniając skład chemiczny, właściwości fizykochemiczne i energetyczne najwygodniejszym do przemysłowego zastosowania jest olej rzepakowy. Nie bez znaczenia jest także fakt dobrego opanowania przemysłowej uprawy rzepaku.

Podobnie jak oleje mineralne, oleje roślinne wymagają stosowania dodatków uszlachetniających. Dodatki te nie powinny pogarszać właściwości ekologicznych oleju. Dlatego też jednym z kryteriów doboru dodatków do olejów biodegradowalnych staje się ich charakterystyka toksykologiczna i oddziaływanie na środowisko. Dotyczy to w równym stopniu składników wyjściowych, jak i produktów ich rozkładu, które dostają się do środowiska wraz ze zużytym olejem oraz ulegają dalszym przemianom w środowisku.

Jednym ze sposobów zmniejszenia szkodliwości dla środowiska naturalnego mineralnych olejów smarnych jest opracowanie i wdrożenie ekologicznie bezpiecznych dodatków, zdolnych zastąpić dodatki stosowane obecnie i gwarantujących jednocześnie zachowanie niezbędnych właściwości tribologicznych tak modyfikowanych olejów.

3.9.1. Racjonalna eksploatacja olejów smarnych w aspekcie ochrony środowiska naturalnego

Oleje smarne podczas eksploatacji ulegają zanieczyszczeniu substancjami pochodzenia zewnętrznego i wewnętrznego. Jednym z głównych powodów wycofywania olejów z eksploatacji jest ich nadmierne zanieczyszczenie produktami stałymi. W czasie eksploatacji do środka smarnego dostają się i gromadzą się w nim stałe, nierozpuszczalne produkty zużycia smarowanego urządzenia oraz pyły z atmosfery. Rozmiary tych zanieczyszczeń mieszczą się najczęściej w granicach od 10 do 200 µm. Po usunięciu zanieczyszczeń mechanicznych i wody większość eksploatowanych olejów można nadal wykorzystywać zgodnie z poprzednim przeznaczeniem. Specyficzną grupę zanieczyszczeń stanowią produkty procesów starzenia i zużycia oleju, np. powstające w wyniku utleniania, rozkładu i polimeryzacji węglowodorów oraz dodatków uszlachetniających. Procesy starzenia i zużycia oleju powodują zmiany jego składu chemicznego oraz pogorszenie lub utratę wymaganych w danym zastosowaniu właściwości środka smarnego. W konsekwencji prowadzi to do konieczności wymiany środka smarnego. Charakter procesów starzenia i zużycia oraz ich przebieg jest uzależniony od jakości środka smarnego oraz warunków eksploatacji. Decydują one o jakości i szybkości gromadzenia się zanieczyszczeń w oleju.

Odczuwalny jest brak wygodnych i wiarygodnych metod diagnozowania i prognozowania stanu środka smarnego w trakcie eksploatacji. Podejmowane są próby określania stopnia wyeksploatowania oleju na podstawie rzeczywistych wskaźników jakościowych wyrażanych parametrami ilościowymi. Brak znajomości powiązań identyfikowalnych parametrów olejów z trwałością i niezawodnością obiektów technicznych i warunkami ich eksploatacji jest główną przyczyną trudności w opracowaniu uniwersalnej metodyki prognozowania stanu środków smarnych i wyznaczania granicy ich użytkowania. Metody kontroli stanu oleju powinny cechować się prostotą, niskimi kosztami, krótkim czasem pomiaru i jednoznacznością wyniku.

Przykładem trudności we wdrożeniu do praktyki eksploatacyjnej wiarygodnych i tanich metod oceny stanu oleju silnikowego mogą być stosowane powszechnie strategie wymiany olejów silnikowych w pojazdach samochodowych polegające na wymianie środka smarnego, bez względu na jago stan, po zalecanym przez producenta pojazdu przebiegu lub czasie eksploatacji.

Obecnie decyzję o wymianie olejów silnikowych podejmuje się w zasadzie intuicyjnie (na podstawie zaleceń producentów silników i olejów silnikowych), przeważnie zbyt wcześnie, ponieważ stan niezdatności oleju może być identyfikowany w bardzo kosztowny sposób, a konsekwencje stosowania niezdatnego oleju poważne - w skrajnych przypadkach prowadzące do uszkodzenia silnika. Wobec tego jest oczywistym, że przy braku dostatecznie wiarygodnej informacji o stanie oleju nawet bardzo częste wymiany oleju silnikowego są bardziej opłacalne niż ewentualne naprawy silnika. Dlatego też w warunkach rzeczywistych dla systemu olej-silnik przyjmuje się warianty modyfikowane, w których na podstawie wybranego parametru oleju uznaje się go niezdatnym do dalszej eksploatacji w systemie. Bardzo często przyjmuje się, że taki parametr jest liniowo zależny od czasu. Na tym założeniu oparte są technologie eksploatacyjne, w których ocena krytycznego stanu systemu zredukowana jest do przewidywanego stanu oleju. Dla systemu olej-silnik znanych jest kilka wariantów technologii eksploatacji, w których chwila wymiany oleju zależy od:

Po osiągnięciu założonej wartości jednego z tych kryteriów oleje są wymieniane niezależnie od ich rzeczywistego stanu. Prowadzi to do eliminacji oleju z systemu, gdy posiada on jeszcze znaczny potencjał użytkowy.

Wymagania ekologiczne zmuszają eksploatatorów do przyjęcia nowego punktu widzenia na zarządzanie środkami smarnymi. Zaistniała sytuacja wymusza poszukiwanie rozwiązań systemowych, pozwalających na osiągnięcie zamierzonych efektów ekologicznych i ekonomicznych. Ich skutkiem powinno być:

Ze wzrostem globalnej ilości środków smarnych, znajdujących się równocześnie w eksploatacji (użytkowanych, przechowywanych, regenerowanych, itd.) oraz wzrostem stopnia rozproszenia ich użytkowników, producentów i dystrybutorów, spada skuteczność kontroli dróg dystrybucji środków smarnych w środowisku naturalnym i wzrasta ryzyko zanieczyszczenia środowiska w nie kontrolowany sposób. Nasuwa się stąd wniosek, że zmniejszenie masy eksploatowanych środków smarnych powinno wywoływać pozytywne skutki ekologiczne. Zmniejszenie ilości środków smarnych, znajdujących się w eksploatacji, można osiągnąć m. in. poprzez wydłużenie czasu ich użytkowania (wydłużenia czasu pomiędzy ich wymianą). Wymaga to stosowania odpowiednich technologii eksploatacji środków smarnych. Aby działania te mogły być skuteczne, to znaczy zabezpieczające interesy użytkowników urządzeń technicznych i ochrony środowiska, niezbędne jest dostarczenie użytkownikom nie tylko odpowiednich, uzasadnionych technicznie i ekonomicznie strategii eksploatacji, ale również metod kontroli i prognozowania stanu środka smarowego, spełniających wymogi takiej eksploatacji.

Inną, łatwiejszą technicznie do realizacji drogą zmniejszenia „zrzutów” środków smarnych do środowiska jest organizacja systemów odbioru od użytkowników zużytych olejów, a następna ich regeneracja oraz ponowne kierowanie do wykorzystania w poprzednim zastosowaniu lub kontrolowana utylizacja, jeśli stopień zużycia i zanieczyszczenia oleju czyni jego regenerację nieopłacalną. Czynnikiem utrudniającym praktyczną realizację tego typu systemów jest duża liczba drobnych użytkowników olejów, rozproszonych na znacznych obszarach. Komplikuje to organizację systemu zbierania i przetwarzania zużytych olejów smarnych i praktycznie uniemożliwia segregację olejów, co w oczywisty sposób wpływa na koszty działania tego typu systemów. W wyniku tego oleje regenerowane często są droższe od olejów uzyskiwanych innymi metodami. Sytuację tę może zmienić wprowadzenie systemu dotacji do zbierania, regeneracji i utylizacji zużytych olejów lub przyjęcie rozwiązań legislacyjnych wymuszających działania proekologiczne.

Procesy regeneracyjne są z natury kosztowne, a rozmiary instalacji nie pozwalają na ich stosowanie nawet u użytkowników, zużywających stosunkowo duże ilości olejów. Dlatego też są mało rozpowszechnione.

Najłatwiej jest regenerować oleje nie zawierające dodatków uszlachetniających. Często stosuje się okresowe oczyszczanie olejów, najczęściej za pomocą filtracji, bezpośrednio w cyrkulacyjnych systemach smarowania w czasie użytkowania maszyn, co wydłuża łączny czas użytkowania olejów do ich wymiany. Regenerowane oleje, w których znajdowały się dodatki uszlachetniające, wymagają z zasady uzupełnienia dodatków po procesie regeneracji. Jest to zadanie trudne do realizacji u użytkownika.

Regeneracja olejów przemysłowych, ze względu na skoncentrowanie ich użytkownika i stabilność właściwości, jest względnie łatwa do realizacji. Typowe metody obróbki tych olejów sprowadzają się do ich filtracji, odwirowania, usunięcia wody i produktów rozkładu. Inne stosowane rozwiązania przewidują użycie ich, po oczyszczeniu, do smarowania mało precyzyjnych węzłów tarcia, smarowania form do produkcji betonu zbrojonego, jako składników materiałów konserwacji czasowej, itd.

Zmniejszeniu zagrożenia ekologicznego wyeksploatowanymi olejami sprzyja ich utylizacja, obejmującą także problematykę systemów ich odbioru od użytkowników. Utylizacja olejów jest realizowana w kilku głównych kierunkach, a mianowicie:

Toksyczne zanieczyszczenia zużytych olejów smarnych komplikują i znacznie podrażają ich utylizację. Wiąże się to z koniecznością stosowania specjalnych technologii eliminacji produktów szkodliwych i kontrolowania skuteczności procesów kosztownymi metodami analitycznymi.

Z tych też powodów dominuje spalanie zużytego oleju, co prowadzi do nieracjonalnego zarządzania zasobami paliwowo-energetycznych i nieuzasadnionego zanieczyszczania środowiska naturalnego. Głównym kierunkiem racjonalnego wykorzystania zużytych olejów smarnych powinno być ich oczyszczanie i regeneracja indywidualnych produktów oraz ich mieszanin w celu otrzymania olejów bazowych i paliw.

Skuteczne ograniczenie szkód ekologicznych wywołuje konieczność określenia:


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Wyklad, Ochrona Środowiska pliki uczelniane, Elementy maszyn
Wykład IV Niezawodność i trwałóść elementów maszyn ED
Smarowanie Elementów Maszyn
Maszynoznawstwo+wyklad+2
TARCIE SMAROWANIE Bazylak
Smarowanie - teoria1, Projektowanie Maszyn (PM)
OS060 Wykorzystanie zuzytych elementów maszyn i pojazdów
JAKOŚĆ W BUDOWIE MASZYN wykład 2
elementy bioinformatyki wyklad2
teoria do weryfikacji elementów maszyn
ELEMENTY SEKSUOLOGII wykłady
Identyfikacja rodzajów zużycia metalowych elementów maszyn
Maszyny wykłady pytania
Elementy Filozofii Wykład 1  10 2013
Ogólne podstawy projektowania i konstruowania elementów maszyn, Uczelnia, Metalurgia

więcej podobnych podstron