Zsírkenési mechanizmusok a gördülőcsapágy-rendszerekben

2014. február 07., péntek, 09:57

Címkék: csapágy kenéstechnika SKF tömítés zsírkenés

A zsírkenésnek számos előnye van az olajkenéssel szemben, de a megfelelő zsír kiválasztása bonyolult folyamat. A kenési mechanizmusok megértése segít az adott alkalmazáshoz és a csapágy élettartamával szembeni elvárások kielégítéséhez legmegfelelőbb típusú és mennyiségű zsír kiválasztásában. A zsírkenés megértésének elősegítése céljából az SKF mérnökei egy új könyvet jelentettek meg, amelyet a John Wiley & Sons Ltd. [12] adott ki, és amely tartalmazza a zsírkenéssel kapcsolatos legfrissebb adatokat és ismereteket.

A zsírkenés fázisai

A zsírkenés dinamikus folyamat, amely nagyjából az 1. ábrán bemutatott három fázisból áll. Az első feltöltés után vagy újrakenés közben a zsír a gördülőelemek közé rakódik le, ami indításkor, illetve a bejáratáskor nagy indítási veszteséget okoz. Ebben a fázisban, amit bemelegítési fázisnak (churning phase) is nevezünk, a zsír benyomul a csapágy el nem árasztott területére (a tömítésekre vagy a csapágygyűrű vállakra), illetve a kosárhoz tapad. Ezekről a helyekről a zsír olajszivárgás vagy nyíróáramlás útján fokozatosan kenőanyaggal látja el a futópályákat. Ebben a második, az olajszivárgási fázisban a kenőfilm-réteget a táplálási és  veszteségmechanizmus irányítja [20], amelyben a futópályák zsírellátása a tartályokból történik, de kenőanyag-veszteség is bekövetkezik az oldalirányú áramlás és az oxidáció következtében. Ez a folyamat a zsír elhalásához vezethet, különösen a tömített csapágyaknál, ahol kisebbek a zsírtartályok. Másik kenőzsír-beviteli mechanizmus az alkalmankénti utántöltés, amit a zsírnak az érintkező felületek közelében a helyi hőtermelődés miatt bekövetkező lágyulása eredményez [14]. A hőtermelődést ez esetben is a filmréteg tönkremenetele okozza. 
 
1. ábra A gördülőcsapágyak zsírkenési fázisai
 
Egy adott ponton a tartályok kiürülhetnek, vagy annyira leromolhatnak, hogy a feltöltés már nem lehetséges. Ha a zsír utántöltése nem következik be, a kenőfilmréteg súlyosan tönkremegy, ami a zsír élettartamának végét jelenti, és ez a csapágy meghibásodásához vagy tönkremeneteléhez vezet.
 

Zsírtartály kialakulása

A zsír folyási, más néven reológiai tulajdonságai határozzák meg a tartály kialakulásának ütemét, valamint a zsír fizikai lebomlását is. A kenőzsír viszko-elasztikus viselkedést mutat, ami azt jelenti, hogy a zsír viszkozitása a nyíró igénybevételtől és a nyírási sebességtől függ. A 2. ábra a viszkozitást a nyírási sebesség függvényében mutatja a különböző gyakran használt modellek esetében. Az ábrán látható, hogy alacsony nyírási sebességnél nagyon magas a viszkozitás. Ez azt jelenti, hogy a folyási ellenállás nagyon nagy lesz, ha a zsírt nem éri el – vagyis ha a zsír az el nem árasztott területen van. Ezt a tulajdonságot konzisztenciának is nevezik. A bemelegítési fázisban a zsír veszthet a konzisztenciájából. Ezt a tulajdonságát mechanikai stabilitásnak hívják.
 
2. ábra Kenőzsírok viszkozitás-nyíróerő görbéinek sematikus ábrázolása dupla logaritmikus
skálán. Nagy nyíróerőnél a hb viszkozitás közelíti az alapolaj hb oil viszkozitását
 
A kenőzsír viszkozitása nagyon alacsony nyírási sebességnél olyan magas, hogy csak lassú folyás következik be, és a zsír látszólag szilárdan viselkedik. Ahogy a 2. ábrán látható, a zsír nyírási ereje gyengülést mutat, ami akkor következik be, ha a zsír viszkozitása a nyírási igénybevétel növekedésével jelentősen csökken. agyon nagy nyírási sebességnél a zsír viszkozitása megközelítheti az alapolaj viszkozitását. Ilyen nagy nyírási sebességek a gördülőelemek és a futópályák közötti kenőfilm-rétegekben fordulnak elő. Az olajkiválással együtt ez az oka annak, hogy a zsírkenésű csapágyakban a filmréteg vastagságát általában az alapolaj viszkozitásaalapján, hoil alapján számítják ki. A zsír reológiája a 2. ábrán bemutatott különböző modellekkel írható le.
 

Filmréteg-vastagság

Mind az alapolaj, mind a sűrítő bejut a csapágyba [2]. A zsírkenésű csapágyakban a kenőfilm-réteg vastagságát a sűrítőanyag hR által létrehozott határolórétegek és az alapolaj hEHL (elaszto-hidradinamikai kenés, EHL) [4]) hidrodinamikai hatása határozzák meg. Az utóbbinál a fent említett okokból az alapolajat is figyelembe lehet venni. Így a filmréteg vastagsága, hT: hT = hR + hEHL (1) 
A zsírkenésű csapágyak gyakran ún. hiányos (starved) kenési viszonyok között működnek, amikor csak nagyon vékony olajrétegek vannak jelen, és a filmréteg vastagsága
alapvetően ezen rétegek vastagságának függvénye (3.ábra). 
 
3. ábra A filmréteg-vastagság és a nyomás sematikus ábrázolása egy teljesen elárasztott
és egy kiéheztetett EHL érintkezésben [17].
Az érintkezés bemeneti oldalán keletkező kenőanyag-hiány miatt a filmréteg vastagsága csökken
 
A rétegek vastagságának változását a futópályákra [20] beömlő, illetve onnan kifolyó kenőanyagok adagolási és elfolyási áramlási sebességének különbségével határozzák meg (olajkiválás [3, 21]). A pályán lévő olaj elvész a gördülőelem– futópálya érintkezéseken belül létrejövő nagy nyomás okozta keresztirányú áramlás következtében [18]. Némi utántöltés lehetséges [6]. Ugyanakkor a nagyon alacsony fordulatszámokat és a nagyon alacsony viszkozitású alapolajakat kivéve ez a folyamat nagyon lassú [7]. A golyó forgása miatti nyíró- és húzóerőnek valószínűleg nagyobb hatása van [5]. A golyó forgása és a keskenyebb érintkező felületek miatt az utántöltés könnyebb a golyóscsapágyaknál, mint a görgőscsapágyaknál. Ez az oka annak, hogy a görgőscsapágyak nagyobb folyósságú zsírokat igényelnek, mint a golyóscsapágyak [11]. Magasabb hőmérsékleten az oxidáció és a párolgás is hatással van a filmréteg vastagságára. Az oxidáció és párolgás miatt anyagvesztés következik be [19, 15]. Ez azonban megváltoztatja a viszkozitást és a kenőképességet is.
 

Dinamikus viselkedés

A hiányos kenés csökkenti a filmréteg vastagságát, ami egészen addig folytatódik, amíg a csapágy már nem kap megfelelő kenést. A fémes érintkezés a csapágy meghibásodását okozza, illetve olyan mértékű hőtermelést eredményez, ami csökkenti a kenőanyag viszkozitását, ami esemény bekövetkezéséhez vezethet. Ez utóbbi esetben újra nő a filmréteg vastagsága, ami elegendő kenést biztosít a következő esemény bekövetkeztéig. Ez a zsír öngyógyító képességétől függően jó pár alkalommal  előfordulhat, ami azon múlik, hogy a zsír mennyire tudja fenntartani a folyósságát. A 4. ábra egy olyan hengergörgős csapágy hőmérsékleti profilját mutatja be, amely a saját maga által indukált hőmérsékleti viszonyok között fut [14].
 
4. ábra Zsírkenésű hengergörgős

Zsír-élettartam és újrakenés

A zsír élettartamát az az időpont határozza meg, amikor a zsír többé már nem képes kenéssel ellátni a csapágyat. Ez az idő nagyon hosszú is lehet, ezért mérése nehezen oldható meg egy próbapadon. Az ilyen vizsgálat felgyorsításához az adott csapágy külső gyűrűjét felmelegítik, ami ösztönzi a zsír öregedési folyamatát és csökkenti a viszkozitását. Az ilyen vizsgálóberendezések egyik példája az R0F+ zsírélettartam-vizsgáló berendezés [13]. 
 

Biztonságos üzem

A kenőzsírokat úgy fejlesztették ki, hogy korlátozott hőmérsékleti tartományban működjenek. A maximális hőmérsékletet, az ún. felső hőmérsékleti határértéket (HTL) az a cseppenési pont jelenti, ahol a zsír visszafordíthatatlanul elveszíti szerkezetét. Ezt a hőmérsékleti értéket semmilyen körülmények között nem szabad meghaladni. A biztonságos maximum hőmérséklet, az ún. felső hőmérsékletteljesítményhatár (HTPL) ennél alacsonyabb. Az alsó hőmérsékleti határérték (LTL) az a hőmérsékleti érték, ahol a zsír lehetővé teszi a csapágy nehézség nélküli indítását. Ezt általában egy indításinyomaték-teszttel mérik. A biztonságos minimum hőmérséklet, az ún. alsó hőmérséklet-teljesítményhatár (LTPL) [1] ennél alacsonyabb. E biztonságos hőmérsékleti zónában a zsír élettartama a hőmérséklet függvénye, ahol ökölszabályként a zsír élettartama minden 15 °C-os hőmérséklet-emelkedéssel feleződik.
 

Zsírélettartam-modellek

A zsír élettartamának (illetve az újrakenési intervallumoknak) az előrejelzésére különböző modellek léteznek. Minden modell empirikus zsírélettartam-vizsgálatokon alapul. A zsír élettartamát az L10 élettartam-mutató határozza meg: az az időtartam, ami alatt egy nagy mennyiségű csapágy 10 százaléka meghibásodik. Az újrakenést a zsír élettartamának lejárta előtt kell elvégezni úgy, hogy a csapágy ne sérüljön. Az SKF újrakenési modell az L01-n alapul, feltételezve, hogy L10 = 2,7 L01, ami azt az időszakot jelenti, ami alatt csak 1 százaléknyi meghibásodás következik be. Az újrakenés nem egyértelmű. A túl sok zsír a csapágyat a bemelegítési fázisban tartja, nagy súrlódási veszteséggel és magas hőmérséklettel. Az 5. ábra kismértékben terhelt, zárt, mély hornyú golyóscsapágyak zsír-élettartamát mutatja a fordulatszám, a csapágy-középátmérő, az üzemi hőmérséklet és a zsír típusának (zsír-teljesítménytényező) függvényében. A terhelés hatását korrekciós tényezőkkel lehet figyelembe venni. Az egyéb csapágytípusokra kidolgozott modellek ezen alapulnak, de azoknál más korrekciós tényezőket alkalmaznak, amelyek megtalálhatók az SKF gördülőcsapágy
katalógusában [1].
 
5. ábra Az élettartamra szóló kenéssel ellátott, könnyű terhelésen működő (C/P ≥ 15) radiális mély hornyú
golyóscsapágyak zsír élettartama. L10 az n x dm, a hőmérséklet és a zsír típusának függvényében [8].
A zsírteljesítmény-tényező a kenőzsír minőségének kifejezője,
és az R0F+ vizsgálati módszer segítségével határozzák meg

Öregedés

A csapágyban végbemenő marás és oxidáció hatására változnak a zsír mechanikai és kémiai tulajdonságai. Az oxidáció formája az üzemi körülményektől függ: alacsonyabb hőmérsékleten és nagyobb fordulatszámon a fizikai öregedés dominál, míg magas hőmérsékleten a kémiai öregedés jellemző [9]. A fizikai öregedés megváltoztatja a zsír reológiai tulajdonságait, ami szivárgást, csökkenő folyási tulajdonságokat eredményez, és a zsír kevésbé lesz képes feltölteni az érintkező felületeket. A kémiai öregedést alapvetően az oxidáció okozza. Az antioxidánsok késleltetik a folyamatot, de ha ezek elfogynak, az oxidáció a kenőanyag fogyásához vezet az illékony anyaggá válási folyamat és a lakk-képződés eredményeként, ami már nem biztosítja a csapágy kenését [9]. 
 

Zsírkenési mechanizmusok a tömítésekben

A tömítések kenésénél a zsírkenés és az olajkenés közötti legnagyobb különbség a zsírhiánnyal (a tömítőajkak újratöltésével) és a sűrítőanyag által okozott határfilm-réteg kialakulásával kapcsolatos. Az érintkező felület utántöltését a nyíróerő és a zsírból történő olajkiválás okozza. A zsír tömítési képessége a zsír sűrűnfolyósságának tulajdonítható, ami azt jelenti, hogy a zsír nem folyik ki könnyen a tömítésből. Emellett a zsír zsebeket képez a többajakos tömítésekben, ahol a szennyezőrészecskék áramlása nagyon lelassul. Ha a tömítésben nyomáskülönbségek állnak fenn, a zsírnak csak egy része fog áramlani, és elindul a szennyezőrészecskék mozgása. 
 

Kenőrendszerek

Ha a kenőzsír nem képes biztosítani a csapágy megfelelő élettartamát, illetve részecskék vagy víz okozta szennyeződés esetén az újrakenést kenőrendszerekkel lehet biztosítani. Ezek a rendszerek pumpából, vezetékekből, szelepekből és szabályozókból állnak. Sokszor előfordulhat, hogy a zsír tulajdonságai versengenek abból a szempontból, hogy mi a jó a kenőrendszer pumpája és a csapágy számára. A kenőrendszernek olyan zsír kezelésére kell alkalmasnak lennie, ami a legmegfelelőbb a csapágy számára. A kivitelt a zsír áramlási tulajdonságai, azaz az ún. pumpálhatósága határozza meg. Az SKF kidolgozott egy zsírpumpálhatósági tesztprogramot, amely az alább felsorolt tényezőket veszi figyelembe (zárójelben feltüntetve az SKF vizsgálati módszer): 

1. Szállítás

(a) Áramlási ellenállás (FTG5 és Lincoln Ventmeter)
(b) Összenyomhatóság (FTG1)
(c) Nyomás kieresztés (FTG3 és Lincoln Ventmeter)

2. Áramlási képesség

(a) Áramlási nyomás
(b) Mechanikus megdolgozás (törés) előtt mért penetráció
(c) A szivattyúegység szállítási mutatója (FTG4)
(d) A szivattyúegység működése

3. Olajleválasztás (és -keményedés)

Zsír keményedése nyomás alatt (FTG2)
 

Állapotfelügyelet

A csapágy (kenés) állapotának online megfigyelése során általában a rezgésszinteket mérik, azonban egyre inkább a zajkibocsátási technikákat [16] alkalmazzák. A zsír állapotának megfigyelésére használt offline technikák között szerepel az olajszivárgás, az olajtartalom, a konzisztencia, a részecskeszennyezés és az oxidáció vizsgálata (FTIR spektroszkópia). Különböző módszerek állnak rendelkezésre, amelyeknek eredményéből meghatározható a zsír hátralévő élettartama [10].
 

Következtetés

Az elmúlt néhány évtizedben jelentősen bővültek az SKF-nek a kenőzsírokra vonatkozó ismeretei. Ma már jó közelítéssel előre jelezhető a zsír kenési élettartama, és monitorozható a hátralévő élettartam. A szennyezett környezetben üzemelő csapágyaknál a tömítés meghosszabbítja a csapágy üzemi élettartamát, a zsír pedig további tömítőhatást biztosít. A kenőrendszerek felhasználhatók a csapágy friss zsírral való ellátására. 
 
Piet M Lugt,
SKF Engineering Research Centre,
Nieuwegein, Hollandia
 
Hivatkozások
[1] SKF rolling bearings catalogue 10,000, AB SKF, Gothenburg, Sweden, 2012.
[2] H. Åström, O. Isaksson and E. Höglund. Video recordings of an EHL point contact lubricated with grease. Tribology International, 24(3):179–184, 1991.
[3] P. Baart, B. Van der Vorst, P.M. Lugt and R.A.J. Ostayen. Oil bleeding model for lubricating grease based on viscous flow through a porous microstructure. STLE
Tribology Transactions, 53(3):340–348, 2010.
[4] P.M. Cann. Starvation and reflow in a grease-lubricated elastohydrodynamic contact. STLE Tribology Transactions, 39(3):698–704, July 1996.
[5] P.M. Cann and A.A. Lubrecht. Bearing performance limits with grease lubrication: the interaction of bearing design, operating conditions and grease properties. Journal of Physics D: Applied Physics, 40:5446–5451, 2007.
[6] Y.P. Chiu. An analysis and prediction of lubricant film starvation in rolling contact systems. ASLE Transactions, 17:22–35, 1974. 
[7] L. Gershuni, M.G. Larson and P.M. Lugt. Replenishment in rolling bearings. STLE Tribology Transactions, 51:643–651, 2008.
[8] B. Huiskamp. Grease life in lubricated-for-life deep groove ball bearings. Evolution, 2:26–28, 2004; SKF rolling bearings catalogue 10,000, p 306–307, November 2012.
[9] H. Ito, M. Tomaru and T. Suzuki. Physical and chemical aspects of grease deterioration in sealed ball bearings. Lubrication Engineering, 44(10):872–879, 1988.
[10] A. van den Kommer and J. Ameye. Prediction of remaining grease life – a new approach and method by linear sweep voltammetry. Proceedings of the 7th International Colloquium Tribology, T.A. Esslingen, pages 891–896, 2001.
[11] R. Kühl. Ölabgabeverhalten bei tiefen und hohen Temperaturen-Einfluss auf den Temperatureinsatzbereich eines Schmierfettes in Waltzlagern. GfT Tribologie-Fachtagung, Conference Compendium(26):1–6, 1998.
[12] P.M. Lugt. Grease lubrication in rolling bearings. John Wiley & Sons, Ltd., The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex, PO19 8SQ, United Kingdom, first edition, 2013.
[13] P.M. Lugt, A. van den Kommer, H. Lindgren and C. Roth. The R0F+ methodology for grease life testing. ELGI EuroGrease, pages 31–40, December 2011.
[14] P.M. Lugt, S. Velickov and J.H. Tripp. On the chaotic behaviour of grease lubrication in rolling bearings. STLE Tribology Transactions, 52:581–590, 2009.
[15] S.K. Naidu, E.E. Klaus and J. L. Duda. Kinetic model for high-temperature oxidation of lubricants. Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 25:596–603, 1986.
[16] N. Tandon and A. Choudhury. A review of vibration and acoustic measurement methods for the detection of defects in rolling element bearings. Tribology International, 32:469–480, 1999.
[17] M.T. van Zoelen. Thin layer flow in rolling element bearings. PhD thesis, University of Twente, the Netherlands, ISBN 978-90-365-2934-1, December 2010.
[18] M.T. van Zoelen, C.H. Venner and P.M. Lugt. Prediction of film thickness decay in starved elastohydrodynamically lubricated contacts using a thin-film-layer model. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part J: Journal of Engineering Tribology, 223(3):541–552, 2009.
[19] C.C.J. Wang, J. L. Duda and E.E. Klaus. A kinetic model of lubricant deposit formation under thin film conditions. STLE Tribology Transactions, 37:168–174, 1994.
[20] V. Wikström and B. Jacobson. Loss of lubricant from oil-lubricated near-starved spherical roller bearings. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part J: Journal of Engineering Tribology, 21(1):51–55, 1997.
[21] B. Yamaguchi, T. Oki and H. Kageyama. Rheological studies on the syneresis of lubricating greases. NLGI Spokesman, pages 8–13, February 1955.
Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Média Partnerek