Smary i oleje spełniają tę samą, podstawową funkcję – smarowanie wybranego elementu. Więc czym się różnią? Ujmując to w proste słowa: smar to olej z dodatkiem zagęszczacza. Dobór środków smarnych zwyczajowo opiera się na lepkości oleju bazowego. Wynika to z przekonania, że wysoka lepkość zwiększa grubość warstwy i wydajność. Jest to całkiem rozsądne podejście, ponieważ zachowanie się warstwy środka smarnego przy dużych prędkościach zbliża się do zachowania odpowiedniego oleju bazowego. Ale co z filmem przy niskich prędkościach obrotowych, który ma duże znaczenie przy smarowaniu turbin wiatrowych? Ten artykuł pomoże czytelnikowi dokonać bardziej świadomego wyboru środków smarnych do turbin wiatrowych, pomagając mu lepiej zrozumieć zachowanie smarów podczas tworzenia filmu olejowego oraz to, czym różnią się one od olejów, zwłaszcza przy niskich prędkościach.
Oleje a smary – konwencjonalna teoria oleju EHL i jej ograniczenia
Obecnie wiele możemy powiedzieć na temat zachowania się olejów przy tworzeniu warstwy. Początki tej wiedzy sięgają eksperymentów z grubością warstwy przeprowadzonych w latach 60-tych. Jak powszechnie wiadomo, grubość warstwy oleju zwiększa się wraz z prędkością, zgodnie z klasyczną teorią EHL (smarowania elastohydrodynamicznego), przy czym wykładnik grubości warstwy oleju wynosi 0,67. Jednak tworzenie się warstw przy użyciu smarów może się znacznie różnić od tworzenia się warstw przy użyciu olejów w niskich prędkościach obrotowych, a na ich zachowanie ma wpływ wiele czynników, w tym zawartość i rodzaj zagęszczacza, lepkość oleju bazowego, właściwości uzupełniania, właściwości reologiczne, warunki badań i zastosowania (np. typ łożyska, dynamika łożyska). Powszechnie uważa się, że grubość warstwy smaru jest zbliżona do grubości warstwy odpowiadającego mu oleju bazowego przy dużych prędkościach, ze względu na podobne właściwości reologiczne. Jednak przy niskich prędkościach obrotowych grubość warstwy smaru może być znacznie większa o współczynnik δ, jak pokazano na rys. 1.
Ten fakt sugeruje, że konwencjonalna teoria oleju EHL może mieć zastosowanie przy użyciu smaru w wysokich prędkościach, ale może nie mieć takiego zastosowania w niskich prędkościach. Ponieważ nie istnieje żaden wiarygodny model uwzględniający współczynnik δ, obliczenia dotyczące łożysk w dużym stopniu opierają się na właściwościach oleju bazowego – dobór środka smarnego w ten sposób może być bardzo zachowawczy i może wymagać dodatkowego marginesu dla niezawodnej pracy, która w przeciwnym razie może nie być konieczna, gdy na przykład brany jest pod uwagę wpływ współczynnika δ.
Tworzenie grubego filmu przy niskich prędkościach przez smary brzmi obiecująco i może sugerować, że powinny one działać doskonale niezależnie od okoliczności. Mogą pojawić się jednak wątpliwości, czy wszystkie smary będą na pewno tworzyły tak gęsty film przy niskich prędkościach. Zależy to od wymienionych powyżej właściwości, a stąd można wnioskować, że nie wszystkie smary formują tak grubą warstwę. Na podstawie badań przeprowadzonych w firmie Klüber Lubrication przedstawiamy kilka przykładów na poparcie wyżej opisanej hipotezy.
Pomiary grubości powłoki EHL za pomocą smarów
Firma Klüber Lubrication wszczęła intensywny program badań i testów, który obejmuje badanie podstawowych zasad terminologicznych i mechanizmów smarowania. Nasz dział trybologii jest wyposażony w najnowocześniejszy sprzęt, w tym system pomiaru ultra cienkich warstw, znany jako zestaw EHL (pokazany schematycznie na rys. 2). Zestaw działa na zasadzie interferometru optycznego – białe źródło światła służy do oświetlania stalowej kuli obciążonej obracającym się, smarowanym szklanym dyskiem. Obraz obszaru styku jest przechwytywany i służy do określenia grubości filmu.
Zmierzono grubość powłoki smarów firmy Klüber Lubrication i smarów konkurencyjnych firm zmieniając prędkość etapami od 0,001 do 3,5 m/s w warunkach czystego walcowania, a wyniki zaprezentowano na rys. 3. Wyniki pokazują, że smar o niskiej lepkości oleju bazowego, Klüberplex BEM 41-141 (lepkość oleju bazowego = 130 mm2/s) przy niskiej prędkości tworzy znacznie grubszy film smarowy, niż standardowe smary o wysokiej lepkości (> 400 mm2/s). Co ważne, dobrze widać, że nie wszystkie smary o niskiej lepkości zapewniają tworzenie się grubej warstwy przy niskich prędkościach, ponieważ na przykład smar o lepkości większej, niż 200 mm2/s tworzy znacznie cieńszą warstwę i zachowuje się bardzo podobnie do oleju 130 mm2/s. Wyniki te sugerują, że grubość warstwy przy niskich prędkościach i wynikający z tego efekt współczynnika δ są kontrolowane przez kombinację lepkości oleju bazowego i typu zagęszczacza – niższa lepkość oleju bazowego i dobry rodzaj zagęszczacza wydają się być pewnymi kluczowymi wymaganiami dla tworzenia się grubych warstw, które Klüberplex BEM 41-141 z pewnością spełnia.
Skutek dla zastosowań w łożyskach niskoobrotowych w turbinach wiatrowych
Łożyska turbin wiatrowych, zwłaszcza łożyska główne, są łożyskami o niskiej prędkości. Dlatego powyższa teoria ma duże znaczenie dla tych zastosowań. Grubszy film oznacza, że smar o niskiej lepkości, taki jak Klüberplex BEM 41-141, działałby przy wyższym stosunku lambda (stosunek grubości filmu do chropowatości powierzchni) lub wartości kappa (stosunek lepkości smaru w temperaturze roboczej do wymaganej lepkości w temperaturze roboczej ) byłby znacznie wyższy (stosując efektywną lepkość smaru w oparciu o zmierzoną grubość filmu). Mówiąc prościej, zapewnia to lepszą ochronę łożysk i wyższą wydajność w porównaniu ze standardowymi smarami o wysokiej lepkości.
Wniosek
W testach laboratoryjnych i podczas pracy w terenie wykazano, że smar o niskiej lepkości oleju bazowego może mieć znaczącą przewagę w stosunku do smaru o wyższej lepkości oleju bazowego. Ta zaleta jest szczególnie widoczna w aplikacjach o niskiej prędkości, jak np. w głównym łożysku turbin wiatrowych. Jest to sprzeczne z powszechnym przekonaniem, zgodnie z którym pożądane właściwości smaru zwiększają się wraz z lepkością oleju bazowego. Badanie to dowodzi, że Klüberplex BEM 41-141, smar o niskiej lepkości oleju bazowego, tworzy znacznie grubszą warstwę smarującą w porównaniu ze standardowymi smarami o wysokiej lepkości oleju bazowego. Poprawia także wartość współczynnika kappa, a tym samym żywotność łożyska.
Jeżeli mają Państwo pytania, lub interesuje Państwa dobór optymalnego środka smarnego, zapraszamy do kontaktu ze specjalistami z Klüber Lubrication!
Klüber Lubrication Polska Sp. z o.o.
ul. Pilotów 19, Janikowo
62-006 Kobylnica
E-mail: office@pl.klueber.com
Tel.: +48 61 656 39 60
Fax: +48 61 8 793 805
