© Strojni{ki vestnik 47(2001)4,174-185 © Journal of Mechanical Engineering 47(2001)4,174-185 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 UDK 662.753:665.334.9:621.892:665.765 UDC 662.753:665.334.9:621.892:665.765 Strokovni ~lanek (1.04) Speciality paper (1.04) Primerjava tribolo{kih lastnosti mineralnih in repi~nih mazalnih olj - Rezultati mehansko-dinami~nih analiz (2. del) Tribological Properties of Rapeseed Oils Compared to Mineral Oils – Results of Mechanical - Dynamic Investigations (part 2) Ale{ Arn{ek - Jo`e Vi`intin V prispevku so predstavljeni rezultati meritev koeficienta trenja, obrabe, zajedanja, jamičenja in drsne obrabe za olja na osnovi oljne repice (oljne ogrsčice) v primerjavi z oljem na mineralni osnovi. Za obravnavo obrabnih kotanj, zajedanja, jamičenja in drsne obrabe smo uporabili rasterski elektronski mikroskop z rentgenskim analizatorjem (SEM-EDXS). Rezultati opravljenih preskusov so pokazali enakovredne oz. celo boljše mazalne lastnosti repičnih mazalnih olj v primerjavi s tržnim mineralnim oljem. Repično olje ima: manjše trenje v mejnem mazalnem področju, primerljivo zmožnost preprečevanja zajedanja, boljšo zmožnost preprečevanja jamičenja in dobre mazalne lastnosti pri velikih obremenitvah - majhnih hitrostih. © 2001 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: olja repična, lasnosti maziv, lastnosti mehanske, SEM-EDXS) In the present work, the coefficient of friction, wear, scuffing-load capacity, pitting resistance and normal sliding wear of rapeseed-based oils were evaluated and the results compared with the corresponding mineral-based oil. The wear scar diameters were examined by using the scanning electron microscope with energy dispers X-ray analyzer (SEM-EDXS). The test results show similar or even better lubrication properties of rapeseed-based oils compared with a commercially available mineral based oil. The rapeseed-based oils exhibit lower coefficient of friction in the boundary lubrication regime, equivalent scuffing wear protection, better pitting resistance and good lubrication properties at high load - slow speed conditions. © 2001 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: rapeseed oil, lubricant properties, mechanical properties, SEM-EDXS) 0 UVOD V tem, drugem delu prispevka so predstavljeni, opisani in razloženi rezultati meritev koeficienta trenja, obrabnih kotanj, zajedanja, jamičenja in drsne obrabe. Naprave in postopki preskušanja ter preskusna olja so opisani v prvem delu prispevka [1]. 1 PREGLED REZULTATOV MEHANSKO-DINAMIČNIH ANALIZ 1.1 Koeficient trenja in velikosti obrabnih kotanj Vrednosti izmerjenih povprečnih koeficientov trenja pri različnih tlakih so prikazani na sliki 1. S slike je razvidno, da se povprečne vrednosti koeficientov trenja pri vseh oljih močno zmanjšajo pri zvečanju obremenitve od 1 na 2 GPa, nato pa se s povečevanjem obremenitve le malenkostno zmanjšujejo. Najmanjše vrednosti povprečnega koeficienta trenja smo pri vseh tlakih izmerili pri olju bio 3, sledi olje bio 1, največje povprečne vrednosti pa smo izmerili pri oljih bio 2 in min 1. Pri tlaku 1 GPa je relativna razlika med največjo in najmanjšo vrednostjo povprečnega koeficienta trenja med oljema min 1 in bio 3 približno 11 odstotkov. Pri tlakih 2; 2,5 in 3,17 GPa so rezultati povprečnih vrednosti koeficienta trenja za olji bio 1 in bio 3 skoraj popolnoma enaki. Podobne, vendar nekoliko večje vrednosti zasledimo tudi pri oljih bio 2 in min 1. Pri tlaku 2 GPa VH^tTPsDDIK stran 174 A. Arn{ek - J. Vi`intin: Primerjava tribolo{kih lastnosti - Tribological Properties Compared 0.4 0.3-I 0.2 0.1 \ 0 12 2.5 3.17 tlak [GPa] Sl. 1 Povprečni koeficienti trenja preskušanih olj pri različnih tlakih 1 GPa 2 GPa Bio 1 Bio 2 Bio 3 Min 1 Čas [min] 2.5 GPa 120 .... ............................ 1 KZZTtA Bio 1 Bio 2 Bio 3 M in 1 Čas [min] 3.17 GPa 120 M^mrfmmfrmtmM Čas [min] 120 Sl. 2. Koeficient trenja v odvisnosti od časa za štiri preskušana olja pri različnih tlakih so razlike v koeficientu trenja med oljema bio 1 in bio 3 (m = 0,12) in oljema bio 2 in min 1 (m = 0,14) 14 %. Pri tlaku 2,5 GPa je razlika med istimi olji približno 27 %, pri tlaku 3,17 GPa pa je največja relativna razlika celo 34 odstotkov. Z izjemo olja bio 2, smo pri repičnih oljih bio 1 in bio 3 izmerili občutno manjše povprečne koeficiente trenja v primerjavi z mineralnim oljem. Časovni potek koeficienta trenja za vsa štiri olja, pri vseh preskusnih tlakih prikazuje slika 2. Pri tlaku 1 GPa so poteki koeficienta trenja v odvisnosti od časa za vsa štiri olja gladki, brez konic, pri tlaku 2 GPa se pojavljajo konice pri olju bio 3. Pri tlakih 2,5 in 3,17 GPa se pojavljajo konice v poteku koeficienta trenja pri oljih bio 1 in bio 3, medtem ko jih pri oljih bio 2 in min 1 ni. Konice v poteku koeficienta trenja kažejo preboje mazalnega filma ter adhezivno obrabo kot posledico kovinskega dotika med preskušancema. Zaradi prebojev so tudi obrabne kotanje večje, kljub v povprečju nižjemu koeficientu trenja za olji bio 1 in bio 3. 1.2 Zajedanje Rezultati preskusov zajedanja na napravi FZG so zbrani v preglednici 1. Z izjemo olja bio 2, so preostala olja dosegla popolnoma enak rezultat. Stopnja zajedanja >12 je najboljši mogoči rezultat, dosežen na napravi FZG po standardu DIN 51 354 in kaže na kakovostno izenačenost preskusnih repičnih olj bio 1 in bio 3 z mineralnim oljem min 1. Nekoliko slabšo lastnost preprečevanja zajedanja ima olje bio 2, kar pa je po drugi strani tipična vrednost za olja UTTO. Olja UTTO ponavadi dosegajo stopnjo zajedanja med 9 do 11 [2]. V preglednici 2 so zbrani tudi rezultati preskušanja zajedanja osnovnega mineralnega in repičnega olja. Mineralno bazno olje je doseglo stopnjo zajedanja 8, repično pa 9. | IgfinHŽslbJlIMlIgiCšD I stran 175 glTMDDC A. Arn{ek - J. Vi`intin: Primerjava tribolo{kih lastnosti - Tribological Properties Compared 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 2.5 2 t l ak [ GPa] 3.17 Sl. 3. Velikosti obrabnih kotanj, nastalih pri merjenju koeficientov trenja preskusanih olj pri različnih tlakih Preglednica 1. Rezultati preskusov zajedanja Vzorec Stopnja zajedanja DIN 51 354 Temperatura zajedanja JmiS ISO 6336-4 °C bio 1 >12 374 bio 2 10 268 bio 3 >12 361 min 1 >12 383 Osnova min 8 206 Osnova bio 9 232 Preglednica 1 prikazuje tudi, na podlagi dobljenih rezultatov meritve stopnje zajedanja, izračunane temperature zajedanja za vsa štiri preskusna olja. Ker pri oljih bio 1, bio 3 in min 1 niti v dvanajsti obremenitveni stopnji ni prišlo do zajedanja, smo za izračun temperature zajedanja teh olj upoštevali razmere FZG trinajste stopnje obremenitve (TT=629,7 Nm, FN=18644 N). Temperatura zajedanja znaša 268 °C za olje bio 2, ki je doseglo najnižjo stopnjo zajedanja, za preostala tri olja pa znaša 374 °C, 361 °C in 383 °C (bio 1, bio 3, min 1), preglednica 1. Te temperature je mogoče uporabiti za preračun zobniških gonil na zajedanje v primeru uporabe teh olj. Določene razlike pri oljih, ki so dosegla enako stopnjo zajedanja, so posledica temperaturnih razlik oljnih kopeli ob koncu preskusa. Pri preskusih zajedanja smo hkrati merili tudi temperaturo oljne kopeli v preskusnem gonilu po vsaki obremenitveni stopnji (sl. 4). S slike je razvidno, da se od šeste stopnje obremenitve dalje temperatura oljne kopeli pri olju min 1 zelo zviša v primerjavi z repičnimi olji. Razlike v absolutni temperaturi so v povprečju za približno 8 °C višje od olja bio 1, 11 °C od olja bio 2 in približno 13 °C višje kakor pri olju bio 3. Izračunane debeline mazalnih filmov kot posledica temperature oljnih kopeli in torej viskoznosti ter stopnje obremenitve so prikazane na sliki 5. S slike je razvidno, da je bila pri olju min 1 najmanjša debelina mazalnega filma, od vseh preskusnih olj od 6 stopnje obremenitve dalje. 1.2.1 Analize površin po preskusu na zajedanje Na sliki 6 so prikazane površine zobnih bokov preskusnih zobnikov tipa A po koncu vsakega preskusa. S fotografij se vidi, da do obrabe pride v področju največjega zdrsa, tj. na vrhu zobnih bokov. Obraba površin zobnih bokov pri olju min 1 po preskusu je zanemarljiva, tako rekoč je ni (sl. 6d). Pri oljih bio 1 (sl. 6a) in bio 3 (sl. 6c) je obraba izrazitejša, vendar so površine še vedno zelo gladke in brez izrazitih pasov zajedanja. V obeh primerih so še vedno opazni sledovi brušenja. Videz obeh površin ne kaže na značilni videz zajedanja, videz površine bolj kaže na obliko drsne obrabe, kar se dobro ujema z dejstvom, da stopnja zajedanja na napravi FZG ni bila dosežena. Čeprav so površine zobnih bokov v primeru olja bio 2 bile prav tako gladke, sam videz poškodbe in nastala obraba dokazujeta zajedanje (sl. 6b). 1.3 Jamičenje Preskusna olja so bila izbrana tako, da so imela pri temperaturi preskušanja 90 °C, približno VH^tTPsDDIK stran 176 A. Arn{ek - J. Vi`intin: Primerjava tribolo{kih lastnosti - Tribological Properties Compared 140 130 120 110 100 90 80 - *- - Lr- jr^ * S\^ * >or Bio 1 Bio 2 Bio 3 Min 1 zajedanje 11 12 4 5 6 7 8 9 10 FZG stopnja obremenitve Sl. 4. Temperatura oljne kopeli ob koncu vsake stopnje obremenitve FZG Začetna debelina mazalnega filma na 4. stopnji 0.22 rj^ 0.2 st 0.18 -----------Bio 2 -----•-----Bio 3 - - -Min 1 ? zajedanje 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 4 5 6 7 8 9 10 11 12 FZG stopnja obremenitve Sl. 5. Debeline mazalnih filmov ob koncu vsake stopnje obremenitve FZG c) Bio 3 d) Min 1 Sl. 6. Videz poškodovanih zobnih bokov po preskusu zajedanja za vsa štiri preskušana olja | lsfinHŽs)iJ][M]lgi[jgD I stran 177 glTMDDC A. Arn{ek - J. Vi`intin: Primerjava tribolo{kih lastnosti - Tribological Properties Compared Preglednica 2. Viskoznost in debelina mazalnega filma pri temperaturi preskušanja vpliva olja na jamičenje Vzorec Viskoznost pri 90 °C n mm2/s Debelina mazalne plasti pri 90 °C hmin mm Specifična debelina mazalne plasti pri 90 °C l bio 1 10,44 0,136 0,61 bio 2 12,66 0,155 0,70 min 1 11,04 0,149 0,67 120 100 80 60 40 20 0 možnost nastanka poskodbe ^" Sl. 7. Rezultati preskusov jamičenja 15.66 13.05 10.44 7.83 5.22 2.61 0 enako viskoznost in s tem tudi debelino mazalne plasti (pregl. 2). S tem, ko so viskoznosti in debeline mazalnih plasti za vsa tri olja približno enake, izločimo vpliv viskoznosti pri preskušanju vpliva olja na pojav jamičenja. Znano je namreč, da ima viskoznost pomemben vpliv pri preprečevanju jamičenja [3]. Zaradi majhne specifične debeline mazalnega filma zobniki obratujejo na meji med mejnim in mešanim mazanjem. Ker so bili tudi tlaki pri vseh preskusih enaki, imajo v tem primeru največji vpliv na pojav jamičenja predvsem izbrani dodatki. Rezultati preskusov na jamičenje so zbrani na sliki 7. Rezultati se nanašajo na 50-odstotno možnost nastanka kritične poškodbe, izračunane iz Weibullove porazdelitve (L50) za tri ponovitve pri preskusu posameznnega olja. Ker je bil z oljem bio 3 opravljen le en preskus, rezultata ne navajamo. Preskusi so pokazali boljšo zmožnost obeh repičnih olj pri preprečevanju jamičenja glede na mineralno olje. Olje bio 1 je dosegalo približno dvakrat večjo dobo trajanja kakor mineralno olje. Tudi olje bio 2 je doseglo boljši rezultat kakor običajno mineralno olje (sl. 7). Tipične poškodbe na zobnih bokih, nastale pri preskušanju vpliva maziv na jamičenje, prikazujejo fotografije na sliki 8. Poškodbe so nastale v bližini notranje enojne ubirne točke, v področju negativnega zdrsa, kjer so tudi dotikalni tlaki največji [4]. Nastale poškodbe so si podobne za vsa tri olja, relativno plitve, z večkratnimi razpokami oz. kosmičenjem na eni strani (sl. 8). Poškodbe imajo tipični videz, ki nastane pri površinskem načinu jamičenja [5]. Površinski način jamičenja je v dobri povezavi z majhno specifično debelino mazalnega filma (pregl. 2). Na sliki 9 so pri 50-kratni povečavi na SEM fotografirane razpoke na zobnih bokih, nastale pri preskušanju vseh treh olj. Razpoke so usmerjene pravokotno na smer drsenja, nahajajo pa se pred jamico, gledano od vrha proti korenu zoba. Smer razvoja razpoke je nasprotna smeri sile trenja. 1.4 Drsna obraba Pri preskušanju vpliva preskusnih olj na preprečevanje drsne obrabe so debeline mazalnih filmov tako majhne, da gre za izrazito mejno področje mazanja (pregl. 3). V tem področu sta aktivni komponenti, ki nadzirata obrabo, le osnovno olje in aditivi. Rezultati preskusov odpornosti preskusnih olj na drsno obrabo po metodi A so prikazani v preglednici 4. Z uporabo težnostne metode je bila obraba zobnikov pri uporabi olja bio 1 le 3 mg po 50 urah preskušanja, sledi ji mešanica repičnega in mineralnega olja s 5 mg obrabe, olje bio 3 z 8 mg ter olji bio 2 in min 1 z 30 oz. 39 mg obrabe. Primerjava med posameznimi stopnjami preskušanja pokaže pri oljih bio 1, bio 3 in BM izredno majhno obrabo v obeh stopnjah, obraba pri preostalih dveh oljih pa je v prvi stopnji veliko večja kakor v drugi. grin^SfcflMISDSD ^BSfiTTMlliC | stran 178 A. Arn{ek - J. Vi`intin: Primerjava tribolo{kih lastnosti - Tribological Properties Compared razpoke / kosmičenje a) Bio 1 c) Min 1 Sl. 8. Videz poškodb jamičenja na zobnih bokih v optičnem mikroskopu razpoke na površini a) Bio 1 c) Min 18 Sl. 9. Videz poškodb jamičenja na zobnih bokih v mikroskopu (SEM) ^vmskmsmm 01-4 stran 179 | ^BSSIrlMlGC A. Arn{ek - J. Vi`intin: Primerjava tribolo{kih lastnosti - Tribological Properties Compared Preglednica 3. Viskoznosti in ustrezne debeline mazalnih filmov pri preskušanju obrabe Vzorec bio 1 bio 2 bio 3 min 1 Metoda A (120 °C) mm2/s 6,16 7,31 7,59 5,51 1 stopnja mm 0,0095 0,0106 0,0111 0,0088 2 stopnja mm Metoda B (80 °C) mm2/s 0,0063 12,86 0,0071 15,74 0,0074 15,57 0,0059 14,68 1 stopnja mm 0,017 0,0199 0,0198 0,0203 2 stopnja mm 0,0115 0,0133 0,0133 0,0136 Preglednica 4. Rezultati preskusov drsne obrabe - metoda A Obra 1 stopnja ba zobnih b mg 2 stopnja okov skupaj Specifična obraba mg/kWh 1 stopnja 2 stopnja skupaj bio 1 2 1 3 0,03 0,02 0,02 bio 2 25 5 30 0,34 0,08 0,22 bio 3 5 3 8 0,07 0,05 0,06 min 1 32 7 39 0,44 0,11 0,29 BM 1 4 5 0,02 0,06 0,04 -— d) Min 1 Sl. 10. Fotografije zobnih bokov pastorka po preskusu drsne obrabe - metoda A VH^tTPsDDIK stran 180 A. Arn{ek - J. Vi`intin: Primerjava tribolo{kih lastnosti - Tribological Properties Compared vrh zobal a) Bio 1 b) Bio 2 c) Bio 3 korozija d) BM e) Min 1 Sl. 11. Fotografije zobnih bokov pastorka po preskusu drsne obrabe - metoda B Fotografije stanja zobnih bokov pastorka po preskusu drsne obrabne metode A s preskusnimi olji so zbrane na sliki 10. Fotografije zobnih bokov prikazujejo gladke površine, to pomeni, da se je v vseh primerih pojavila zmerna drsna obraba. 1.4.1 Vpliv vode kot primesi V traktorskih pogonskih sistemih in nekaterih drugih pogonih se pojavlja tudi do 1 odstotek vode v olju. Voda je primes, ki zelo poostri delovne razmere, v katerih mora olje delovati. Da bi ugotovili vplive vode na preprečevanje drsne obrabe, smo uporabili metodo B (pregl. 3). Pred vsakim preskusom smo v vzorce olj dodali 1 % v/v vode. Mešanico smo pred preskusom nekajkrat močno pretresli, da smo dobili homogeno zmes olja in vode. Med preskusom nismo več dodajali vode. Rezultati preskusov drsne obrabe po metodi B so zbrani v preglednici 5, slike zobnih bokov pastorka po preskusu z olji bio 1, bio 2, bio 3, min 1 in BM pa na sliki 11. Z izjemo olja bio 2 je pri vseh preskusih opazno povečanje obrabe v primerjavi s čistim oljem (pregl. 4). Razlike med vzorci olj so velike. Obraba je najmanjša pri olju bio 2, pri preostalih oljih pa se zvečuje po istem razporedu kakor pri metodi A (pregl. 4). Iz primerjave obeh metod je tudi razvidno, da se obraba pri mešanici BM z dodano vodo izredno poveča, glede na olje bio 1, čeprav sta po metodi A obe olji imeli skoraj popolnoma enak rezultat. Očitno je, da voda bolj škoduje mazalnim lastnostim mineralnih olj, kakor repičnih, saj v tem primeru že 10-odstotna mešanica repičnega olja z mineralnim oljem, ob navzočnosti vode, izredno izgubi svojo mazalnost. Zanimivo je obnašanje olja bio 2, ki ima, glede na rezultate, približno enako protiobrabno zaščito pri razmerah preskušanja z vodo ali brez nje. Takšen rezultat je vsekakor presenetljiv. gfin^OtJJIMISCSD 01-4 stran 181 | ^BSSITIMIGC A. Arn{ek - J. Vi`intin: Primerjava tribolo{kih lastnosti - Tribological Properties Compared Preglednica 5. Rezultati preskusov normalne drsne obrabe - metoda B Obraba zobnih bokov mg 1 stopnja 2 stopnja skupaj Specifična obraba mg/kWh 1 stopnja 2 stopnja skupaj bio 1 25 49 74 0,35 0,79 0,55 bio 2 24 8 32 0,33 0,13 0,24 bio 3 55 34 89 0,76 0,55 0,66 min 1 48 288 336 0,66 4,63 2,49 BM 71 114 185 0,98 1,83 1,37 S slike 11 je razvidno, da je pri vseh treh bio razmerjem izmerjenih koeficientov trenja pri tlakih 1 in oljih prišlo do približno enakega obrabnega 2 GPa na napravi SRV (FZG obratuje med 0,14 in 1,84 mehanizma. Obrabna površina zobnega boka po GPa). Prav tako pa so nižje temperature oljnih kopeli preskusu mešanice BM kaže sledove močnejše drsne po vsaki stopnji posledica večje debeline mazalne obrabe (sl. 11d), pri mineralnem olju min 1 pa lahko plasti in s tem boljšega ločevanja površin v primeru opazimo tudi sledove korozije na zobnih bokih (sl. vseh treh repičnih olj (sl. 5). Čeprav je bila viskoznost 11e). Korozija, nastala na zobnih bokih, nakazuje na vseh preskusnih olj na začetku vsake stopnje približno nezadostno zaščito kovinskih površin, prispeva pa enaka je bil padec viskoznosti med preskusom manjši tudi k večji obrabi. pri repičnih oljih zaradi njihove manjše odvisnosti viskoznosti od temperature (IV ~220 - indeks 2 RAZPRAVA viskoznosti) v primerjavi z mineralnim oljem (IV 89). Zaradi manjšega padca viskoznosti je debelina filma Repična mazalna olja imajo izredno dobre večja, ločevanje površin bolj še, dotiki med vršički so mazalne lastnosti. Majhni povprečni koeficienti trenja preprečeni z debelejšo mazalno plastjo, površine se repičnih olj (z izjemo olja bio 2) so pričakovani, ker ta zaradi tega manj segrevajo, zato so tudi temperature olja sestavljajo dolge polarne organske molekule olja nižje. (maščobne kisline). Te molekule se s svojim polarnim Viskoznost olja, vrsta olja in njegova koncem prilepijo na kovinsko površino in zmanjšujejo temperatura imajo zelo velik vpliv na pojav jamičenja, torni koeficient. Mazalni učinek se ustvari s fizikalno medtem ko imata vrsta dodatkov in njihova oz. kemijsko adsorpcijo maziva na površino, tj. z koncentracija le omejen vpliv na jamičenje. Pri delovni nastankom nizkostrižne plasti polarnih molekul med temperaturi preizkušanja so imela vsa olja približno dotikalnima površinama ([2], [6] in [7]). V tem primeru enako viskoznost in s tem tudi debelino mazalne plasti so majhni povprečni koeficienti trenja funkcija (pregl. 2). Ker so bili tudi dotikalni tlaki enaki pri vseh baznega olja. Visok koeficient trenja repičnega olja preskusih, imajo največji vpliv na pojav jamičenja bio 2 lahko pripišemo lastnostim, ki jih morajo imeti torne lastnosti osnovnega olja ([8] do [11]). Videz olja UTTO. Trenje v teh oljih mora biti dovolj veliko, poškodb jamičenja potrjuje površinski način jamičenja s čimer se zagotovi učinkovito delovanje mokrih zavor pri vseh preskušanih oljih, kar se tudi dobro ujema z in sistema "Power Take Off'v traktorjih. Po drugi strani majhno specifično debelino mazalnih plasti. To pa še pa smo z meritvami ugotovili slabe protiobrabne dodatno potrjuje, da imajo v našem primeru torne lastnosti repičnih olj, ki se kažejo v prebojih mazalne lastnosti posameznih preskušanih olj odločujoč vpliv plasti. To pa je neposredno funkcija aditivov AW/EP na pojav jamičenja. Dotikalni tlaki pri preskušanju v baznih oljih (sl. 3). jamičenja na napravi FZG ustrezajo vrednosti 1,65 Raziskava je potrdila, da je zmožnost GPa na kinematskem krogu. Za neposredno preprečevanja zajedanja repičnih olj enakovredna primerjavo koeficientov trenja lahko vzamemo zmožnostim mineralnega olja. Vseeno pa so bile vrednosti, izmerjene na napravi SRV v območju 1 in 2 izmerjene temperature oljnih kopeli nižje po vsaki GPa. Iz primerjave slik 1 in 7 vidimo, da se razmerja obremenitveni stopnji pri preskušanju repičnih olj. koeficientov trenja in razmerja dobljenih rezultatov Za približno isti odvod toplote preskusnih zobnikov, preskusa jamičenja popolnoma ujemajo. Torej je in ker so tudi toplotne lastnosti preskusnih olj posledica boljšega preprečevanja jamičenja repičnih približno enake, je temperatura oljne kopeli odvisna olj manjše drsno trenje v dotiku. To vodi k manjšim le od začetne temperature olja (90 °C od 4 stopnje strižnim napetostim na površini, kar učinkovito dalje) in od torne toplote, nastale v dotiku. Nižje tem- preprečuje dotikalno utrujanje, povezano s perature oljnih kopeli so bile izmerjene za olja z majhnim površinskim nastankom utrujenostnih razpok. koeficientom trenja (sl. 4). Z izjemo olja bio 2 se V primeru preskusa odpornosti preizkusnih izmerjene temperature oljnih kopeli ujemajo z olj na drsno obrabo pri velikih obremenitvah in ______01 4 SnnBjtgleJUpillOlflifrSO | ^BSfiTTMlliC | stran 182 i A. Arn{ek - J. Vi`intin: Primerjava tribolo{kih lastnosti - Tribological Properties Compared majhnih hitrostih se bolje izkažejo repična olja ter tudi mešanica v primerjavi s čistim mineralnim oljem. Zaradi majhnih drsnih hitrosti je segrevanje dotikalnih površin malenkostno, zato aditivi AW/EP, ki začno delovati šele pri visokih temperaturah, v teh preskusnih razmerah še ne delujejo. Izračun temperature za preskus drsne obrabe je za vseh pet olj ~153 °C. V primerjavi s temperaturo zajedanja osnovnih olj (pregl. 1) pomeni, da niti pri repičnih oljih niti pri mineralnem olju zaradi prenizke temperature aditivi AW/EP ne delujejo. V tem področju delovanja so zato v izraziti prednosti repična olja zaradi visoke polarnosti osnove in s tem povezane fizikalne oz. kemijske adsorpcije maščobnih kislin na kontaktno površino, zaradi tega je obraba manjša (pregl. 4). Mazalni mehanizem fizikalne oz. kemijske adsorpcije maščobnih kislin je učinkovit prav v področju nizkih kontaktnih temperatur in velikih obremenitev. Voda na poslabšanje mazalnih lastnosti vpliva na dva načina. Prvič je voda zelo polarna molekula, ki se hitreje veže na kovinsko površino kakor aditivi AW/EP v olju. Ker voda sama po sebi nima nikakršnih nosilnih lastnosti in ker je delovanje aditivov AW/EP zaradi manjše polarnosti omejeno, je rezultat zelo majhna protiobrabna zaščita z vodo pomešanega olja. To pomeni, da so mineralna olja dejansko bolj izpostavljena vplivu vode na mazalne lastnosti, zaradi nižje polarnosti osnove, v primerjavi z repičnimi olji. Druga možnost je, da voda reagira z aditivi AW/EP ali nekaterimi drugimi komponentami v olju, spremeni njihove kemijske lastnosti, ki so zato manj učinkovite od prvotnih. Voda v repičnih oljih je še posebno problematična. Voda razcepi naravni ester, triglicerid kot osnovni gradnik repičnih olj, v proste organske kisline oz. v mila in alkohole. Mila in alkoholi ustvarjajo smolnate, v olju netopne ostanke, ki v obliki mulja in gošče slabšajo mazalne lastnosti na kovinskih površinah. Proste kisline pa vplivajo na korozijo kovin. Mulja, gošče oz. smolnatih netopnih ostankov pri 50-urni obremenitvi repičnih olj z vodo pri 80 °C nismo opazili, kar pomeni, da je bila delovna temperatura prenizka, čas pa prekratek za začetek kemijskih reakcij. Za razumevanje kemičnih reakcij aditivov s kovinsko površino in za boljše razumevanje dobljenih rezultatov smo površine zobnih bokov po preskusih zajedanja analizirali z mikroskopom SEM, povezanim z analizatorjem EDS. Površina, obstreljena z elektroni, oddaja žarke X, katerih spekter je značilen za prvine, ki so na površini. Dejanska globina analize je okoli 1 mm. Rezultati so prikazani na sliki 12. Slika prikazuje fotografije SEM površin zobnih bokov tik pod vrhom, na mestu največje drsne hitrosti pri 200-kratni povečavi, skupaj z analizo EDS. Iz analiz se vidi, da je pri vseh oljih na mestu poškodbe zajedanja prišlo do rekacij dodatka fosforja in/ali žvepla s kovinsko površino. Na poškodovani, zaradi drsenja zglajeni povšini brez tipičnih poškodb zajedanja, reakcij dodatkov pri repičnih oljih nismo opazili. Nasprotno pa je pri mineralnem olju opazna velika konica fosforja in celo sledovi cinka na povsem nepoškodovanem delu zobnega boka, kjer so še vedno vidne raze kot posledica brušenja. Višina konice, relativno glede na šum signala in višino konice železa, je kakovostno merilo količine analizirane prvine na površini. Sledovi aluminija izhajajo iz držala vzorcev. Dejstvo je, da reakcije aditivov s kovinsko površino pri mineralnem olju zelo hitro stečejo. Glede na videz površine, kjer so še vedno vidni sledovi brušenja, je za reakcijo že dovolj odstranitev oksidnega sloja. Odstranjeni oksidni sloj je tako tanek, da ne spremeni videza površine, temeljito pa spremeni lastnosti kovinske površine. Na sveži površini nastala tanka reakcijska plast aditivov torej varuje površino pred zajedanjem. Pri olju min 1 se je kljub majhni obrabi na površini (sl. 6d) zreagirala relativno največja količina dodatka (sl. 12d). Pri repičnih oljih bio 1, bio 2 in bio 3 so konice zreagiranih prvin žvepla in fosforja relativno majhne, pravzaprav na meji zaznavanja (sl. 12a,b,c), kljub večji obrabi površin zobnih bokov (sl. 6a,b,c). Na zglajenih površinah, ki ne kažejo tipičnih poškodb zajedanja, sploh ni prišlo do reakcij z aditivi. Dejstvo je, da je na teh mestih prišlo do obrabe, ker ni vidnih sledov brušenja, zajedanje pa je preprečevala fizikalna oz. kemijska adsorpcija maščobnih kislin na kovinsko površino. Iz rezultatov analiz SEM in EDS razberemo, da je delovanje S/P/Zn aditiva (kombinacija žvepla, fosforja in cinka - AW/EP) v mineralnem olju min 1 bolj učinkovito kakor v repičnih oljih bio 1, bio 2 in bio 3 (samo S/P). Po analizah sodeč visoka polarnost repične osnove preprečuje dostop aditivom do kovinske površine, zato je tudi količina zreagiranega aditiva, kljub večji obrabi, manjša v primerjavi z mineralnim oljem. Slabe protiobrabne lastnosti repičnih olj so zato posledica njihove bistveno večje polarnosti v primerjavi z nevtralnimi mineralnimi olji. To pomeni, da je cela vrsta aditivov manj polarna kakor bazno repično olje. Zato so za doseganje enake učinkovitosti na mejni ploskvi kakor pri mineralnih oljih potrebne bistveno večje koncentracije aditiva, tj. do želenega delovanja se pride samo prek večje statične porazdelitve. To se najbolj kaže prav pri protiobrabnih aditivih in aditivih za visoke tlake, pri katerih visoka polarnost osnove preprečuje dostop aditivov AW/ EP na osnovno površino. Z večanjem koncentracije teh aditivov se lahko izboljša tudi njihov dostop do osnovne površine in s tem tudi protiobrabne lastnosti repičnih olj pri naših razmerah preskušanja [13]. 3 SKLEP Opravljeni preskusi so pokazali enakovredne oz. celo boljše mazalne lastnosti | lgfinHi(s)bJ][M]lfi[j;?n 01-4_____ stran 183 I^BSSIfTMlGC A. Arn{ek - J. Vi`intin: Primerjava tribolo{kih lastnosti - Tribological Properties Compared repičnih mazalnih olj v primerjavi s tržnim mineralnim oljem. To pomeni: nižje trenje v mejnem mazalnem področju, primerljiva zmožnost preprečevanja zajedanja, boljša zmožnost preprečevanja jamičenja in dobre mazalne lastnosti v razmerah velike obremenitve - majhne hitrosti. » . m L/,''„¦¦•;*# l- i'/(.r^;,.V' ¦-¦¦' !' »'¦¦* IMF?! 'H .-'':.-- vr a) Bio 1 v «feig b) Bio 2 ;'A- 1" * ;v ¦Vi)«': :i" ..-.«/»,¦¦«:«* 100 pm c) Bio 3 d) Min 1 Te mazalne lastnosti so rezultat fizikalne in/ ali kemijske adsorpcije maščobnih kislin na kovinsko površino in izredno majhne odvisnosti viskoznosti od temperature. Majhna odvisnost viskoznosti od temperature (visok IV) omogoča tudi uporabo repičnega mazalnega olja viskoznosti ISO 46 tam, kjer se običajno uporabljajo mineralna olja viskoznosti ISO 32-68. Fe Fe LA Al P S CrCrJ CrCr \L a1 a2 b1 b2 c1 c2 d1 d2 Sl. 12. Analize na SEM in EDS obrabnih površin zobnih bokov po preskusu zajedanja w^^smmm ^BlgFUTMHlC | stran 184 Fe Al Fe CrCr A. Arn{ek - J. Vi`intin: Primerjava tribolo{kih lastnosti - Tribological Properties Compared Edina pomanjkljivost v mazalnih lastnostih repičnih olj je v nezadostnem delovanju aditivov AW/ EP pri velikih obremenitvah in visokih kontaktnih temperaturah. Mazalni učinek je bil posledica nastale nizkostrižne mejne ploskve med dotikalnima površinama Kombinacija adsorpcijskega mazalnega mehanizma, povezanega z repičnimi olji ter protiobrabnih dodatkov in dodatkov za visoke tlake v repičnih oljih, je učinkovita tja do 2 GPa. Majhna obraba v drugi stopnji nakazuje na dobre protiobrabne lastnosti olj, nekoliko večjo obrabo v prvi stopnji pri oljih bio 2, in min 1 pa lahko pripišemo utekavanju zobnikov. Olji bio 1 in bio 3 imata zelo dobre karakteristike pri utekavanju, logična posledica je zato tudi dober rezultat mešanice BM v prvi stopnji, saj je mešanica olj bio 1 in min 1. Pri oljih bio 2 in min 1 so zato kemijske lastnosti, ki nadzirajo utekavanje, nekoliko slabše, kakor pri preostalih treh oljih. Po vzpostavitvi obrabe (druga stopnja) so vsa olja enakovredna. 4 LITERATURA IN VRI [I] Vižintin, J., A. Arnšek (2001) Primerjava triboloških lastnosti mineralnih in repičnih mazalnih olj; Osnove, načini preizkušanja ter izbira preizkusnih olj, Strojniški vestnik, Vol. 47, št. 3. [2] Hubmann, A. (1994) Chemie pflanzlicher Öle, Ökologische und ökonomische Aspekte der Tribologie, TAE 94. [3] Arnšek, A. (1996) Zajedanje in jamičenje, Drugi seminar, FS Ljubljana [4] Podlesnik, M. (1981) Gonila z valjastimi zobniki, Maribor. [5] Stachowiak, G.W., A.W. Batchelor (1993) Engineering tribology, Elsevier. [6] Kabuya, A., J.L. Bozet (1995) Comparative analysis of the lubricating power between a pure mineral oil and biodegredable oils of the same mean ISO grade, Lubricants and Lubrication / D. Dowson (Editor), Elsevier. [7] Arnšek, A. (1994) Lastnosti biološko razgradljivih olj, Prvi seminar, FS Ljubljana. [8] Bartz, WJ., V. Krüger (1975) Influence of lubricants on the pitting fatigue of gears, Wear, Vol. 35, No. 2, 184- 198. [9] Stachowiak, G.W., A.W. Batchelor (1993) Engineering tribology, Elsevier. [10] Ku, P.M.; Gear failure modes - Importance of lubrication and mechanics, ASLE Preprint No. 75AM-SA-1. [II] Bartz, W.J., V Krüger (1973) Pitting fatigue of gears - Some ideas on appearance, mechanism and lubricant influence, Tribology International, 220-224. [12] Möller, U.J. (1994) Biologisch schnell abbaubare Schmierstoffe-Einführung in die Problematik, Ökologische und ökonomische Aspekte der Tribologie, TAE 94. [13] Vižintin, J., A. Arnšek (1996) Vpliv obremenitve na tribološke lastnosti mazalnih olj pri izmeničnem gibanju, Zbornik predavanj Slotrib 96, Gozd Martuljek. Naslov avtorjev: Aleš Arnšek profdr. Jože Vižintin Fakulteta za strojništvo Univerza v Ljubljani Aškerčeva 6 1000 Ljubljana Prejeto: Received: 30.1.2001 Sprejeto: Accepted: 27.6.2001