Pol Vrsalović, dipl. ing. pom. stroj., Teknoxgroup, Split Doc. Nikola Račić, dipl. ing. pom. stroj., Pomorski fakultet, Split Izv. prof. Gojmir Radica, dipl. ing. stroj., FESB, Split
1. UVOD Sustav ulja je važan čimbenik za rad jednog, kompleksno kompleksno g stroja kao što je brodski
-
dizelski motor. Osnovne funkcije ulja za podmazivanje zajedno sa aditivima jesu stvaranje kliznog uljnog filma u le žajevima te odvođenje topline.
Motorna ulja se dijele na prirodna i legirana. Prirodna ulja se dobivaju frakcijskom destilacijom prirodnog zemnog ulja. Ulja dobive-
ne smiju biti korozivna.
na frakcijskom destilacijom imaju određenu viskoznost, plamište i gustoću.
Klasični simptomi kvarova motora usli jed problema sa sustavom ulja za podmazivanje su: zaribavanje ležaja, zaglavljivanje klipnog prstena i pretjerana potrošnja ulja za pod mazivanje. Osnovni načini izbjegavanja na vedenih problema su: uporaba adekvatnog tipa ulja, planirane promjene ulja i stalno održa vanje sustava podmazivanja. Kod
motornih uređaja ulje se koristi za smanjenje trenja između tarnih površina, za od vođenje topline nastale trenjem, za odstranji vanje nečistoće s kliznih površina stapa i ko šuljice te za neutraliziranje kiselih produkata izgaranja. Motorna ulja trebaju uvjete:
zadovoljiti slijedeće
-
viskoznost mora udovoljavati uvjetima rada motora bez obzira na izmjenu temperature u dozvoljenim granicama;
-
moraju biti otporna na isparavanje;
-
moraju biti otporna prema oksidaciji i starenju;
-
moraju imati mogućnost rastapanja čađe i koksa u produktima izgaranja;
-
moraju imati zadovoljavajuću mazivost (dobru i trajnu čvrstoću uljnog filma );
44
Osnovni nedostatci prirodnih ulja: -
nemaju sposobnost otapanja taloga koji nastaje izgaranjem i starenjem star enjem ulja u motoru;
-
nemaju sposobnost neutralizacije kiselih produkata izgaranja;
-
mala im je otpornost protiv oksidacije.
Dodatkom različitih aditiva prirodnom ulju dobivaju se legirana ulja poboljšanih kva liteta. Legirana ulja imaju kombinirane dodatke: -
u svrhu povećavanja deterdžentskih i dis perzijskih svojstava kojima se žele održati metalne površine čiste dodaju se fosfati, alkohol ili ili aditivi s velikom molekularnom masom, koji sadrže cink, barij, mag nezij ili njihove hidrokside, ali ti aditivi nemaju sposobnost otapanja taloga koji nastaje izgaranjem i starenjem ulja u motoru; u svrhu poveća nja otpornosti na starenje i oksidaciju ulja dodaju se sulfidi i fosfati te
metali kositar, barij i cink čime se sprječava stvaranje mulja i lakova na metalnim dijelovima kao i korozivno djelovanje bijelog metala;
-
u svrhu zaštite metalnih površina od ko -
aw
rozivnog djelovanja ulja dodaju se spojevi koji ulju povećavaju otpornost na oksi daciju; dodaju se spojevi s fosforom, sum-
m -
porom ili dušikom, metalne soli trifosforne
- dio stvarne površine dodira koeficijent trenja spregnutih
površina
metala, g -
koeficijent trenja graničnog sloja.
kiseline i sl.; -
cilindričnim uljima dodaju se aditivi koji sa stvorenim kiselinama tvore sulfatne spojeve barija ili kalcija disperzirane u ulju. Ti spojevi su na bazi alkil-fenolata barija ili kalcija;
-
u svrhu povećanja temperature skraćivanja uljima se dodaju proizvodi kondenzacije kloriranog parafina i naftalina;
-
za poboljšanje viskoznosti i otpornosti na povećane temperature ulju se dodaju poli merizirani olefini, izoolefini itd.
U pomorstvu na brodskim strojnim pogonima koristimo ulja mineralnog podrijetla dobivena frakcijskom destilacijom zemnog ulja, a to su turbinska, strojna, cilindarska i kompresorska ulja.
Slika 1 – Granični sloj podmazivanja [7]
U cilju smanjenja trenja i trošenja u procesu graničnog podmazivanja potrebno je osigurati pogodan površinski, odnosno granični sloj. Stvaranje graničnih slojeva postiže se: fizičkom apsorpcijom, kemijskom apsorpcijom i kemijskim reakcijama.
Hidrodinamički sloj nastaje povećanjem brzine kretanja površina. Hidrodinamički sloj maziva prikazan je na slici 2, prema [7].
2. PODMAZIVANJE Najkorištenija maziva danas su sinte tička i naftna tekuća maziva. Tekuća maziva omogućavaju tri sloja podmazivanja. Granični sloj uljnog filma (vidi sliku 1, prema [7]) vrlo je tanak sloj koji se formira reakcijom maziva, zraka i metalne površine. Po -
vršine elemenata su u međusobnom dodiru i opterećenje se prenosi s jedne na drugu površinu preko neravnina u spregu. Granično podmazivanje se analizira preko promjena vri jednosti koeficijenta trenja u graničnom sloju i koeficijenta trenja na mjestima dodira metala, po jednadžbi: a w m
gdje je:
(1 aw ) g
(1)
Slika 2 – Hidrodinamički sloj podmazivanja [7]
Hidrodinamičko podmazivanje predstavlja način podmazivanja kod koga su po vršine koje se podmazuju razdvojene konti nuiranim slojem maziva u toku kretanja, odnosno gdje se trenje površinskih reljefa u potpunosti Hidrodinamičko podmazivanje predstavlja način podmazivanja kod koga su površine koje se
45
podmazuju razdvojene kontinuiranim slojem maziva u toku kretanja, odnosno gdje se trenje površinskih reljefa u potpunosti zamjenjuje unutarnjim trenjem čestica mazi va. Za vrijeme mirovanja, pokretanja ili zaustavljanja
površine se nalaze u direktnom kontaktu. Elementi mehaničkih sustava kod kojih se ostvaruje hidrodinamičko podmazivanje od likuju se slijedećim tribološkim karakteristika ma: -
površine koje se podmazuju razdvojene su kontinuiranim slojem maziva dovoljne de bljine tako da ne dolazi do njihovog dodira, osim pri pokretanju i zaustavljanju;
-
-
opterećenje se prenosi s jedne na drugu površinu preko sloja maziva koji posjeduje određenu moć nošenja nastal u kao rezultat relativnog kretanja površina; otpor uslijed trenja u sustavu je određen veličinom unutrašnjeg trenja u mazivu.
Debljina uljnog sloja, kod hidrodinamič kog podmazivanja, mora biti veća od zbroja visina površinskih reljefa kliznih površina. Debljina sloja koja je jednaka zbroju
ki sloj ulja koji može nositi opterećenje. Za elastohidrodinamičko
podmazivanje karakteristično je da se opterećenje prenosi preko velike površine dodira. Međutim, postoje mnogi elementi strojeva ( zupčanici, ležajevi i sl.) kod kojih se teoretski dodir ostvaruje u
točki ili po liniji. Stvarni dodir je po nekoj maloj, ali konačnoj površini. Mala dodirna površina uzrokuje velika specifična optereće nja, što izaziva elastične deformacije povr šinskih slojeva i promjenu geometrije površine dodira.
Mješovito podmazivanje predstavlja prijelazni oblik između potpunog i graničnog podmazivanja. Kada je debljina sloja maziva
nedovoljna da potpuno razdvoji površine, javlja se mjestimični direktni kontakt površina. Mješovito podmazivanje se javlja u slučaju malih brzina kretanja strojnih elemenata pri visokim opterećenjima. gdje je : Gear – zupčanik Boundary layer – granični
sloj podmazivanja Hydrodynamic layer – hidrodinamički sloj
visina površinskih reljefa naziva se kritičnom
podmazivanja
debljinom i ispod nje prestaju zakonitosti hi-
Elastohydrodinamic layer – elastohidrodina-
drodinamičkog podmazivanja.
mički sloj podmazivanja
Elastohidrodinamički sloj podmazivanja
pri većim opterećenjima i većim površinskim brzinama def ormira se elastično. Tanki uljni film je zarobljen između metalnih površina, vidi sliku 3, prema [7]. To je elastohidrodinami-
3. DIJAGNOSTIKA STANJA ULJA Postoje brojne mogućnosti za kontami naciju ulja, a time i za njegovu degradaciju. Kontaminacija i degradacija ulja u eksploataciji se ne mogu potpuno spriječiti ali se mogu
znatno usporiti, što je vrlo važno i za ulje i za strojne sustave. Brzina i stupanj degradacije ulja upravo su proporcionalni brzini i stupnju
Slika 3. Elastohidrodinamički sloj podmazivanja [7]
46
kontaminacije. Zbog toga je važno spriječiti brzu kontaminaciju ulja prije i tijekom uporabe. Spektar kontaminanata ulja dosta je širok, a
svaki kontaminant utječe destruktivno na ulje, umanjujući mu fizikalno -kemijske i radne karakteristike, tako da su konačne posljedice skraćivanje radnog vijeka ulja i motora.
jom, a granična vrijednost je 5%; -
Za utvrđivanje stupnja degradacije ulja koriste se razne dijagnostičke metode. Naj pouzdanije rezultate daju laboratorijske analize ulja. Promjene stanja ulja tijekom uporabe zaključuju se iz nekoliko testova: količine ta loga, razrjeđenje ulja gorivom, kemijske pro mjene u ulju nastale zbog korozije ili oksi-
dacije, stupanj istrošenosti metalnih dijelova. Temeljem laboratorijskih analiza utvrđuje se stupanj degradacije ulja i t emeljem toga se donosi odluka da li je ulje za daljnju uporabu ili ga je potrebno promijeniti. Analiziraju se sljedeći parametri:
- Nerastvorive materije – one mogu biti proizvodi degradacije ulja i kontaminanti (koks, prašina, organski oksidi, čestice me tala nastale habanjem); -
ulje treba zamijeniti ako TBN padne za 50 %
može ukazati da je potrebno iz vršiti neke analize, no međutim ne postoji točna metoda za definiranje izgleda koriš Izgled ulja
Sadržaj vode (% v/v) – dozvoljena količina vode u ulju je: za hidraulična ulja 0,1 %, a za motorna ulja 0,2 %;
-
Gustoća (kg/m³ na 15° C )
Metali iz aditiva mogu biti Zn, Ca, Ba ili Mg i ukazuju n a istrošenost aditiva. Metali koji potječu od habanja su: Fe, Pb, Cu, Cr, Al, Mn i Ag i ukazuju na povećano trošenje u tim sklopovima. Elementi koj i potječu iz rashladne tekućine su Na i B;
promjena gustoće je 10%; Točka paljenja (° C ) – ovom analizom se utvrđuje prisutnost goriva u ulju;
-
Kinematička viskoznost ( mm²/s ) -
sniženje viskoznosti može biti posljedica miješanja sa uljem niže viskoznosti ili zbog pri-sutnosti goriva. Porast viskoznosti može biti posljedica kontaminacije vodom ili produktima habanja, nazočnošću čađe, ili pro -
dukata oksidacije te miješanja sa uljem više viskoznosti; -
Sadržaj goriva (%) – određuje se destila-
– određuje sadržaj različitih metala prisutnih u mazivu. Čestice metala su abrazivne a ponašaju se i kao katalizatori oksidacije Emisijska spektrofotometrijska analiza
nata može biti iz aditiva, od habanja, iz goriva, iz zraka ili iz tekućine za hlađenje.
– dozvoljena
-
od početne vrijednosti;
ulja. U motornim uljima, porijeklo eleme-
tenog ulja; -
Ukupni bazni broj – TBN – ova analiza je
važna samo za motorna ulja i smatra se da
-
Talog (%) – povećava viskoznost ulja i smanjuje mu disperzijska i deter đentna svojstva, začepljuje filtre ulja i sprječava protok te sljepljuje klipne prstenove. Dozvoljena granica taloga za motorna ulja je 1%;
-
Količine čestica u ulju – broj se može odrediti laserskom ili optičkom metodom. Laserska metoda daje količinu, veličinu i distribuciju čestica, dok optička metoda daje i identifikaciju. Često se koristi i kom binacija ove dvije metode. Rezultat određi vanja količine pojedinih čestica najčešće se izražava po ISO skali čistoće. Tako se broj čestica izražava odvojeno po veličinama od 5, 15 i 25 mikrona po ml ulja.
Na slici 4., prema [11], prikazana je shema načina funkcioniranja planiranog održa vanja ulja.
47
Slika 4 – Vodič za SOS analizu ulja
gdje je: External contamination – onečišćenje iz vanjskog izvora;
Make-up oil – ulje za nadolijevanje;
Water (coolant/other) – voda (rashladna/voda neke druge namjene);
Wrong oil used – uporabljeno
Fuel – gorivo;
Maintenance – održavanje;
pogrešno ulje;
Plugged air filter – začepljen filtar zraka;
Dirt – nečistoća;
Improper fuel setting – pogrešna podešenost sustava goriva;
Oil transfer from another compartment – prijenos ulja iz drugog odjeljka;
Extended oil change - produljen period zamjene ulja;
48
Poor cooling maintenance – loše rashladni sustav;
održavan
4. KVAROVI USLIJED NEADE-
Fuel quality – k akvoća goriva;
KVATNOG PODMAZIVANJA
Sacrificial surfaces (bearings) – potrošne radne površine (ležajevi;
Karakteristična oštećenja uslijed ne -
Asembly fit/torque –podešavanje/moment spajanja pri montaži; Break – in wear (new/rebuilt) – trošenje prilikom uhodavanja (novo/remontirano); Manufacturing debris – zaostale metalne nečistoće nakon ugradbe ili održavanja; Mating surfaces Fit/Finish – prilagodba tarnih
površina ležaja za uhodavanje; Parts defects – greške pojedinih elemenata; Competitive parts use - uporaba neoriginalnih dijelova; Application – primjena;
adekvatnog podmazivanja
Oštećenja uslijed nedovoljnog podmazi vanja nastupaju čak i kada postoji dovoljno zračnosti između cilindra i klipa. Tijekom ra da dolazi do prekida uljnog filma, najčešće samo mjestimice, zbog povećanja temperatur e ili zbog prisutnosti goriva u ulju. Na slici 5, prema [6] prikazano je oštećenje nastalo uslijed kratkotrajnog potpunog prekida podmazivanja. Oštećena područja su bez brazgotina, najčešće na plaštu klipa, a ka -
rakterizira ih istrošenje materijala i zatamnjenje površine.
Climate/terrain – podneblje/teren; Severe/improper operation – grube / operacije;
pogrešne
Excessive idling/lugging – prekomjeran rad u praznom hodu/preniskom broju okretaja High altitude – velika nadmorska visina; High operation temp's – visoke radne temperature; High humidity – visoka vlažnost; Cold operating temp's – niske radne temperature; Positive water – potvrđena prisutnost vode; Positive glycol – potvrđena prisutnost glikola;
Slika 5 - Oštećenje uslijed potpunog prekida uljnog filma [6]
Fuel dilution – razrjeđenje gorivom; Silicon/Aluminium – silicij/aluminij; Viscosity – viskozitet; Metalic element(s) – metalni dijelovi; Contaminants – zagađivači; Oil condition – stanje ulja; Metalic elements increase – povećanje količine metalnih elemenata; TBN – ukupni bazni broj; Soot – čađa;
Slika 6 – Oštećenje uslijed nedovoljnog podmazivanja [6]
49
Oštećenje na slici 6 , prema [6] je identično oštećenju uslijed potpunog prekida uljnog filma, osim što nema pojave zatamnjenja radne površine, već se vidi čist meta l.
ogrebotine po dužini, što je vidljivo na slici 10, prema [6].
Na slici 7, prema [6] prikazana su
oštećenja nastala uslijed nedovoljnog podmazi vanja, a na slici 8, prema [6] prikazano je ošte ćenje klipa uslijed porasta temperature.
Slika 9 - Rad bez podmazivanja uzrokovan prisutnošću goriva u ulju [6]
Slika 7 - Raspored oštećenja uslijed nedovoljnog podmazivanja [6]
Slika 10 - Oštećenja uljnog prstena [6]
Na slici 11, prema [6] prikazani su prvi znakovi istro šenja ( lijeva slika), i uznapredova-
lo oštećenje koje je zahvatilo cijeli klip.
Slika 8 - Oštećenje klipa uslijed porasta temperature [6]
Kod oštećenja uzrokovanog prisutnošću goriva u ulju, zona prstena ostaje neoštećena, kao što je prikazano na slici 9 ,prema [6], jer je samo prsten u kontaktu s radnom površinom cilindra.
Česta su oštećenja uslijed nedostatka ulja koja su uzrokovana neispravnošću uljnog prstena. Ogrebotine uzrokovane oštećenjima i nesagorenim tvarima prisutne su na radnoj površini prstena, uslijed čega cilindar dobiva
50
Slika 11 - Istrošenja klipa uslijed neispravnosti uljnog prstena [6]
U slučaju pregrijavanja kao rezultat dolazi do prekida uljnog filma. Oštećeno područje ima zatamnjenu i napuklu površinu što je prikazano na slici 12, prema 6. Na slici 13, prema [8] je prikazana usporedba novog i istrošenog ležaja uslijed nedo-
Na slici 15, prema [8] prikazan je ležaj
koji je radio bez podmazivanja i čija je temperatura prešla 430 ° C .
Slika 12 - Oštećenja uslijed pregrijavanja [6] Slika 15 - Ležaj oštećen pregrijavanjem zbog nestanka podmazivanja [8]
Slika 13 - Usporedba novog ležaja i ležaja koji je kratko vrijeme radio s nedovoljnim podmazivanjem [8]
Simptomi pregrijavanja ležaja su : gubitak boje ležaja ili pojava boje - od zlatne do plave. Rezultati pregrijavanja su gubitak tvrdoće što uzrokuje kvar ležaja. U ekstremnim slučajevima dolazi do deformacija. Porast tem -
perature ležaja utječe također i na smanjenje kvalitete ulja za podmazivanje.
voljnog podmazivanja. Također , do ovih oštećenja može doći i zbog preopterećenja ležaja te zbog lošeg podmazivanja. Slijedeća slika 14 , prema [8] prikazuje oštećenje ležaja zbog nedovoljnog podmaziva -
Na slici 16, prema [8] su prikazana
oštećenja zbog metalnih čestica koje su se našle u sustavu ulja. Ove čestice najčešće ostanu na kon remonta, a pokretanjem motora, struja ulja ih dovede u ležaj te dolazi do prikazanih ošte -
ćenja.
nja.
Slika 14 - Istrošenja ležaja zbog nedovoljnog podmazivanja [8]
Slika 16. Ležaj oštećen metalnim dijelovima koji su došli u sustav ulja [6] 51
ZAKLJUČAK Prilikom uporabe ulja važno je izabra ti odgovarajući tip ulja i održavati ga čistim, svježim i bez nazočnosti vlage. U praksi, to povlači za sobom brojne tehnologije i pravila koja osiguravaju ispunjenje prethodnih uvjeta,
a što u znatnoj mjeri ovisi o namjeni. Ispravan izbor podrazumijeva pravilan odabir baznog ulja, ispravne viskoznosti i
ispravnih aditiva za odgovarajuću namjenu. Vrlo je važno voditi računa o onečišće nju ulja sa aspekta udjela vode i čestica , jer takva onečišćenja mogu imati izrazito štetne učinke na radni vijek ulja i motora. Pravilno održavanje ulja omogućuje maksimalnu produktivnost uz minimalne troš kove. Pomoću pravovremenih analiza moguće je: ostvarivanje stalnog nadzora svih glavnih sustava stroja, otkrivanje problema u ranoj fazi te ustroj kompletne servisne povijesti stroja i ulja za njegovo podmazivanje. Time se smanjuju kvarovi strojeva kao i troškovi poprav -
ljanja, a smanjeni su i troškovi nabave ulja i njegova odlaganja.
Literatura [1] Antolović B.: Goriva i maziva, Hydac hydraulic GmbH, Zagreb 2004. [2] Kurtela Ž.: Osnove brodostrojarstva , Dubrovnik 2000.
[3] Milić L.: Brodski motori 1, Dubrovnik 2009.
[4] Ozretić, V.: Brodski pomoćni strojevi i uređaji, Split 1996. [5] Radica G.: Dijagnostika kvarova , Split 2001. [6] Waldhauer, Schilling, Schnaibel, Szopa: Piston damages, MSI Motors Service International GmbH 2004.
52
[7] Basics of lubrication , Caterpillar 2001. [8] Engine bearing, Caterpillar 2001. [9] Journal of ASTM International , 2005. [10] MAN B&W S4MC-CT, Project Guide, 2009. [11] Marine Service Handbook , Caterpillar, 2004.
