Co byste měli vědět, abyste pro vaši aplikaci vybrali správné mazivo

Co byste měli vědět, abyste pro vaši aplikaci vybrali správné mazivo

Věnujte zvýšenou pozornost technickým vlastnostem a pečlivě sledujte, co se děje u vás v provoze.

Lidé používají maziva již od starověku, pravděpodobně od vynálezu kola, aby snížili tření a opotřebení mezi dvěma dosedacími plochami. V nábojích kol vozu pocházejícího z roku 1450 př. n. l., který byl získán z hrobky egyptského faraona Tutanchamona, byl nalezen mazací materiál (pravděpodobně vyrobený z tuku a vápna).

Maziva různých druhů se od té doby používají nepřetržitě, ale tribologie nebyla definována jako věda, dokud britský vědec Hans Peter Jost nezveřejnil v roce 1966 průkopnickou zprávu, která kvantifikovala potenciální ekonomické přínosy systematického úsilí o snížení tření a opotřebení. Vymyslel termín tribologie, za nímž se skrývá studium problematiky tření, opotřebení a mazání. Jost odhadl, že tření je odpovědné za energetické ztráty, včetně vývinu tepla a vyšších nákladů na palivo, které jen ve Velké Británii vycházejí na 2 miliardy GBP (20 miliard GBP v dnešní měně). Odhadl také, že řádná tribologická praxe a postupy v rámci údržby strojů a zařízení by mohly přispět ke snížení těchto nákladů přibližně o 25 %.

Oleje a mazací tuky

Maziva lze rozdělit na oleje (kapalné) a plastická maziva – mazací tuky (polotuhé). Přestože plastická maziva představují pouze asi 2 % hmotnosti této kategorie (celosvětově 2,48 miliardy liber, přičemž 1 lb ≐ 0,454 kg), lze je s výhodou aplikovat v situacích, kde se musíme vypořádat s vysokými tlaky a zátěžemi, kdy mazací oleje nejsou účinné. Poptávka po plastických mazivech světově vzrostla z 1,64 miliardy liber v roce 2002 na 2,48 miliardy liber v roce 2015. Velká část tohoto nárůstu poptávky pochází z rychle se rozvíjejících zemí, jako je Čína, jejíž poptávka po plastických mazivech vzrostla ze 199 milionů liber v roce 2002 na 884 milionů liber v roce 2015. Vyspělejší trhy, k nimž patří i Severní Amerika, zůstaly v celkové poptávce poměrně stabilní (484 milionů liber v roce 2002 oproti 481 milionům liber v roce 2015), ale tyto trhy vykazují silnější trend směrem k vysoce výkonným mazivům než zbytek světa.

ložiska mazivaUkázka aplikace maziva na ozubeném kole. Všechny obrázky poskytla společnost Royal Manufacturing Co.

Plastická maziva jsou běžně používána pro ložiska, převodovky, pouzdra, řetězové pohony a ocelová lana (viz obr. 1); 80 % až 90 % valivých ložisek je mazáno plastickými mazivy, protože mazivo poskytuje lepší těsnicí a nosné vlastnosti a vykazuje vyšší odolnost vůči nečistotám, prachu a extrémním teplotám, než jakou mohou poskytnout maziva na bázi oleje. Kompromis je nutno přijmout nejen z důvodu horších chladicích vlastností plastických maziv (částečně proto, že mazivo zůstává na svém místě, necirkuluje dále systémem), ale i kvůli viskóznímu odporu (odpor, kterým mazací vrstva působí na pohyblivé části).

Faktor dm.N (někdy nazývaný též činitel dm.N) je užitečnou metrikou pro výběr maziva ložiska, které bude dobře fungovat za předem stanovených podmínek. Tento faktor se získá vynásobením rychlosti otáčení ložiska za minutu (rpm) průměrnou hodnotou vnějšího průměru a průměru otvoru ložiska v milimetrech.

tabulka 1Tabulka 1 ukazuje některé typické mezní hodnoty dm.N, při jejichž překročení se doporučuje aplikovat mazací oleje

Pro danou viskozitu maziva (měřeno při 40 °C, 104 °F) hodnota dm.N, která překračuje odpovídající kritickou úroveň viskozity, znamená, že jako mazivo by se měl použít spíše olej než mazací tuk (ačkoli některá speciální maziva lze použít pro dm.N faktory dosahující hodnoty až 1 milion). Tabulka 1 ukazuje některé typické mezní hodnoty dm.N, při jejichž překročení se doporučuje aplikovat mazací oleje. Typické mezní hodnoty dm.N pro různé typy ložisek jsou uvedeny v tabulce 2.

tabulka 2Tabulce 2 uvádí typické mezní hodnoty dm.N pro různé typy ložisek

Co si máme představit pod pojmem plastické mazivo (mazací tuk)?

Obsah plastických maziv je tvořen nejméně z 80 % základovými oleji, asi 10 % až 15 % představují zahušťovadla a zbytek tvoří přísady. Výroba plastických maziv však neznamená jen smíchat sady ingrediencí dohromady. Samotná výroba plastických maziv představuje složitý proces, který zohledňuje rozmanité interakce mezi základovými oleji, zahušťovadly, aditivy pro odolávání extrémnímu tlaku (EP), aditivy proti opotřebení, pevnými lubrikanty, antioxidanty, lepidly a modifikátory tření. Vlastnosti konečného produktu závisejí nejen na složení, ale také na výrobním procesu (včetně postupů homogenizace) a na podmínkách, za jakých je mazivo skladováno.

matrice mazivoMikrosnímek matrice maziva

Zahušťovadla poskytují vláknitou matrici, která obsahuje základový olej. Část tohoto oleje je pod tlakem uvolňována do prostoru mezi protilehlými povrchy částí stroje, kde zajišťuje mazání. Když je tlak uvolněn, je olej vtažen zpět do zahušťovací matrice. Na molekulární úrovni je zahušťovadlo přitahováno k polární složce základového oleje (obvykle atomů kyslíku v triglyceridu nebo jiné molekule okysličeného oleje). Tato přitažlivá síla má podobu vodíkových vazeb, kapilárních akcí a van der Waalsových sil a v zahušťovadle zachycuje asi 75 % oleje. Asi třetina oleje v těchto 75 % může být extrahována z matrice zahušťovadla pouze gravitací. Zbývajících 20 % až 25 % oleje je vázáno uvnitř zahušťovací matrice mechanickým zachycením a může být extrahováno pouze za použití rozpouštědel nebo extrémních podmínek (viz obr. 2). Většina zahušťovadel je na bázi mýdel (tj. jsou to kovové soli nebo kovové komplexy s organickými tukovými /glyceridovými/ sloučeninami). Na celém světě je přibližně 55 % zahušťovadel tvořeno z prostých lithiových mýdel a asi 19 % představují lithiová komplexní mýdla. V Severní Americe se jedná o 26 %, respektive 39 %, a pro Čínu 63 % a 17 %. Mezi další zahušťovadla maziv patří prostá mýdla na bázi vápníku, sodíku nebo hliníku, dále komplexní mýdla na bázi vápníku, hliníku, barya nebo různých sulfonátů a zahušťovadla nemýdelná na bázi polymočovinových sloučenin a jílů. Současný trend však míří k výkonnějším zahušťovadlům maziv, včetně komplexních sloučenin a nemýdelných zahušťovadel.

tabulka 3Celosvětový průmysl na výrobu lithiových baterií stále více soutěží o dodávku lithia, což se již projevilo v plošném zvyšování cen
V posledních letech vedly obavy z dlouhodobé dostupnosti lithia jakožto nejčastěji používaného zahušťovadla tuků k hledání alternativ. Celosvětový průmysl na výrobu lithiových baterií stále více soutěží o dodávku lithia, což se již projevilo v plošném zvyšování cen (viz tabulka 3).

Volba zahušťovadla má silný vliv na celkové vlastnosti plastického maziva. Sulfonáty, polymočoviny a jíly jsou vhodné pro vysokoteplotní aplikace. Hlinitá a sulfonátová maziva jsou neobyčejně odolná vůči vodě. Maziva na bázi barya a sulfonáty fungují dobře v aplikacích, které musejí odolávat extrémním tlakům. Maziva zahuštěná komplexními sloučeninami hliníku, jíly nebo mýdly vyrobenými s lithiem nebo vápníkem lze snadněji přečerpávat než plastická maziva na bázi sulfonátu vápenatého nebo polymočoviny a proudí snadněji skrz potrubí a trysky dávkovače tuku. Mají také lepší vlastnosti rozmělnění (tj. snadněji se natahují z bubnu do čerpadla). Obzvláště plastická maziva na bázi komplexních sloučenin hliníku lze velmi dobře aplikovat postřikem.

Základovými oleji mohou být rovněž minerální oleje (parafiny skupiny I nebo II či naftenické oleje), syntetické oleje (polyalfaolefiny, estery, polyalkalinové glykoly, silikony a další) nebo oleje na biologické bázi (sójový, řepkový, ricinový a další). Většina maziv (asi 90 %) používá minerální oleje jako základový olej, 6 % používá syntetické základní oleje, 3 % pak polosyntetiku (směsi minerálních a syntetických olejů) a méně než 1 % aplikuje základové oleje na bázi biomasy.

Volba základového oleje ovlivňuje viskozitu a mazací vlastnosti plastického maziva, jeho náchylnost k oxidaci a tepelné degradaci, výkon za vysokých i nízkých teplot i to, jak dobře proudí za nízkých teplot. Kromě toho jsou rostlinné oleje a syntetické estery biologicky rozložitelné, což je žádoucí při konečné likvidaci, avšak ne během normálních provozních činností. Syntetické oleje mají vynikající tokové vlastnosti při nízkých teplotách.

Aditiva poskytují libovolný počet dalších vlastností v závislosti na požadovaných výkonových charakteristikách. Různé přísady pomáhají mazivu lépe odolávat extrémním tlakům, chrání součásti před opotřebením a také před oxidací maziva, zabraňují vzniku koroze v součástech, které chrání a modifikují třecí vlastnosti. Tuhá maziva lze použít v extrémních podmínkách. Přestože méně než 10 % maziva tvoří přísady, představují významnou část nákladů na jejich výrobu.

Jak fungují tuhá maziva?

Za hydrodynamických podmínek jsou pohyblivé části zcela odděleny kapalným mazacím olejovým filmem, který minimalizuje tření mezi těmito částmi. Avšak za hraničních/elastohydrodynamických mazacích podmínek, jež jsou typické pro velká zatížení a vysoké tlaky (například v těžařském odvětví nebo v terénních aplikacích), propadnou nerovnosti na protilehlých površích filmem mazacího oleje a dostanou se do přímého kontaktu. U těchto nerovností může docházet ke svaření tlakem zastudena, což způsobuje důlkovou korozi a opotřebení a vytváří místa, kde se může koroze dále rozvíjet. Pro tyto situace jsou v praxi aplikována tuhá nebo polotuhá maziva s přísadami proti opotřebení.

Tuhá maziva fyzicky nebo chemicky ulpívají na kovových površích a vytvářejí ochranný film v nepřítomnosti hydrodynamické vrstvy maziva. Tento ochranný film snižuje tření a zabraňuje tak svaření. Tuhými mazivy mohou být vrstvené materiály, jako je grafit nebo sulfid molybdeničitý (MoS2). Každá vrstva těchto krystalických materiálů má tloušťku jednoho atomu. Jednotlivé vrstvy jsou poskládány jako balíček hracích karet a snadno kloužou po sobě, což zajišťuje mazací účinek, avšak odolávají stlačení, když je síla aplikována kolmo na vrstvy.

Požadavky na vysoký výkon a účinnost

Univerzální plastická maziva, včetně těch na bázi lithia 12 (obsahující Li-12-hydroxystearát, běžné zahušťovadlo maziv), vápníku a sodíku, jsou vhodná pro aplikační teploty pod 250 °F (121 °C) a pro součásti pracující s mírným zatížením. Přítomnost a účinnost přísad na odolávání extrémním tlakům se hodnotí pomocí standardních testů, jako je zkouška Timken OK nebo zatížení při svaření. Plastická maziva mají obecně Timkenovu charakteristiku 40 až 45 liber a přibližně 250 kg zatížení při svaření.

Je zapotřebí aplikovat výkonná maziva, pokud provozní podmínky zahrnují velmi vysoké nebo velmi nízké teploty, velké nebo rázové zatížení, velmi vysoké nebo nízké otáčky motoru či prostředí, v němž je mazivo vystaveno účinkům vody, prachu nebo nečistot. Vysoce účinná maziva obsahují komplexní sloučeniny lithia nebo hliníku, sulfonáty vápenaté, polymočoviny a maziva na bázi jílu.

Vysoce účinná plastická maziva mohou pracovat při teplotách až –54 °F (–48 °C) nebo až 450 °F (232 °C) a obsahují přísady na odolávání extrémním tlakům, díky nimž nepodléhají vysokému nebo rázovému zatížení. Tato maziva vykazují při vystavení účinkům vody méně než 5 % při zkoušce vymývání vodou a méně než 30 % u postřiku vodou. Dostatečná úroveň mazání je zajištěna i při rychlostech otáčení vyšších než 1 400 ot./min.

Výběr maziva

Uživatelé mohou při výběru nejlepšího maziva pro konkrétní operaci postupovat dle jedné či vícero metodik. Výrobci OEM často poskytnou konkrétní specifikace. Pokyny podávají také průmyslové organizace, jako je Národní institut mazacích tuků (NLGI). Například NLGI certifikuje maziva pro automobilové podvozky (LA a LB) a maziva pro ložiska kol (GA, GB a GC), přičemž označení GC-LB představuje nejvyšší výkonnostní klasifikaci.

Pokud mazivo, které se právě používá, funguje dobře, výběr náhradního maziva může být jednoduchou záležitostí dle odpovídajících specifikací. Nové výrobky mohou být vyhodnocovány a analyzovány z hlediska vhodnosti před jejich použitím v provozu nebo je možno nová maziva testovat ve skutečných reálných aplikacích.

Mezi další faktory, které ovlivňují výběr maziva, patří barva (maziva jsou dodávána v široké škále barev, někdy i velmi světlých), zápach (vůně), omak/textura či lepivost. V průzkumu stížností zákazníků v roce 2015 se pouze 14 % zabývalo selháním skutečných testovaných vlastností. Z celkového počtu stížností bylo 42 % spojeno s barvou daného maziva, 20 % zákazníků nebylo spokojeno s konzistencí, 16 % s lepivostí nebo texturou a 8 % se zápachem.

Mazivo, které má správnou barvu a zápach, je samozřejmě k ničemu, pokud se v rámci zamýšlené aplikace nechová tak, jak je předepsáno. Výběr mazacího tuku bude tedy záviset na velikosti ložiska nebo převodu, rozsahu provozních teplot, otáčkách motoru, maximálním zatížení (stálém nebo nárazovém), očekávaném množství vody nebo vlhkosti a na množství prachu a nečistot v okolním prostředí. Samotný výběr maziva s maximálním hodnocením v každé kategorii může být velmi nákladný a nemusí přinést požadované výsledky; je lepší zaměřit se na optimální sadu vlastností.

tabulka 4Dodavatelé maziv poskytují technické listy (TDS), které pomáhají při sladění požadavků na složení maziva se specifickými vlastnostmi součástí a jejich provozními podmínkami

Dodavatelé maziv poskytují technické listy (TDS), které pomáhají při sladění požadavků na složení maziva se specifickými vlastnostmi součástí a jejich provozními podmínkami (příklad viz tabulka 4). Hodnocení zahrnuje mechanickou a smykovou stabilitu: odolnost maziva proti odkapávání mezi protilehlými povrchy. Odolnost proti vodě je zkoušena testem na vymývání vodou či postřik vodou a stanovením valivé stability. Hodnoty z testu na svaření a zatížení Timken OK udávají přítomnost a účinnost přísad k odolávání extrémním tlakům. Bod skápnutí a životnost za vysokých teplot indikují chování maziva za vysokých teplot. Mezi nízkoteplotní charakteristiky patří točivý moment za nízkých teplot (LTT), čerpatelnost, smyková rychlost a průtok (měřeno pomocí Lincolnova ventmetru) a hodnocení dle výsledků testu mobility dle směrnic U. S. Steel. Tabulky 5 ilustrují širokou škálu mazacích vlastností a jejich vztah k různým aplikacím.

tabulka 5Tabulky 5 ilustrují širokou škálu mazacích vlastností a jejich vztah k různým aplikacím

Různá průmyslová odvětví = rozmanitá plastická maziva

Různá průmyslová odvětví vykazují preference různých typů plastických maziv. Například těžební a stavební průmysl používal v minulosti vápenatá či komplexní vápenatá plastická maziva, nyní však směřují ke komplexním mazivům na bázi sulfonátu vápenatého. Běžně se také používají víceúčelová plastická maziva na bázi lithného mýdla či komplexní hlinitá plastická maziva. Protože velká část pracovních činností u těchto aplikací probíhá venku, tato odvětví projevují větší zájem o produkty biologicky rozložitelné a šetrné k životnímu prostředí.

Námořní průmysl využívá různá víceúčelová plastická maziva na bázi vápníku nebo lithia. Používají se rovněž maziva na bázi sulfonátu vápenatého, protože lépe odolávají postřiku solí. Námořní průmysl se také pohybuje směrem k biologicky rozložitelným mazivům, která vyhovují platným směrnicím pro plavidla. Zemědělský a lesnický průmysl používá víceúčelová plastická maziva na bázi lithia a z důvodu biologické rozložitelnosti směřují k základovým (esterovým) olejům získaným z rostlinných zdrojů. Aplikace v potravinářském průmyslu musejí vyhovovat jejich vlastním přísným předpisům a přiklánějí se k plastickým mazivům na bázi vápníku, jílu a siliky. Mohou také používat komplexní maziva na bázi hlinitých mýdel či sulfonátu vápenatého.

V rámci aplikací otevřených převodů se v minulosti spoléhalo na produkty na bázi asfaltu. V současné době jsou před jinými typy preferována komplexní maziva na bázi hlinitých mýdel. Soukolí pohybující se konstantní rychlostí využívají lithná či komplexní lithná plastická maziva s aditivy sulfidu molybdenu nebo grafitu či maziva na bázi polymočoviny.

Užitečné tipy

Pro dosažení nejlepšího výkonu a nejdelší provozní životnosti maziva je třeba pečlivě sledovat specifikace a monitorovat vaše provozní činnosti, abyste měli jistotu, že se pohybujete v rámci stanovených technických podmínek. Například životnost plastického maziva klesá o polovinu na každých 10 stupňů, jimiž překračujete doporučenou provozní teplotu. U maziv určených pro univerzální použití by měla být aplikační teplota udržována pod 250 °F (121 °C). U vysoce účinných maziv na bázi minerálních olejů může být teplota navýšena přibližně na hodnotu 350 °F (177 °C) a maziva na bázi syntetických základových olejů lze aplikovat až do teploty 450 °F (232 °C).

Při separaci olejové složky z plastického maziva (množství oleje, které je separováno z maziva během skladování) by množství nemělo překročit 5 % a u kvalitních maziv je výhodné udržovat toto množství přibližně na 1–2 %. Nemusíte plnit celé ložiskové pouzdro, abyste dosáhli dobré úrovně mazání: pro střední až vysoké rychlosti otáčení se doporučuje plnit přibližně z 50 %, pro vyšší rychlosti otáčení je potřeba toto množství navýšit. Pokud bude mazivo v kontaktu s jinými typy maziv, zkontrolujte, zdali jsou navzájem kompatibilní. Toto je zvláště důležité pro plastická maziva na bázi syntetiky.

Dr. Anoop Kumar je ředitel pro výzkum a vývoj ve společnosti Royal Manufacturing Co. LP, která se zaměřuje na výrobu vysoce výkonných olejů a plastických maziv. Je držitel doktorátu z chemie na Indickém technologickém institutu. Má více než 25 let zkušeností v oblasti mazacích tuků a průmyslových olejů. Dr. Kumar je vynálezce komplexního plastického maziva na bázi titanu. Publikoval více než 80 technických dokumentů a je držitel více než 20 celosvětových patentů na mazací tuky. Dr. Kumar působí jako finanční ředitel NLGI (National Lubricating Grease Institute) a v roce 2018 se stal technickým editorem magazínu TLT (Tribology & Lubrication Technology). V roce 2013 získal ocenění Chevron Lubricant Award a v roce 2010 získal cenu Long Service Award od indického institutu NLGI. Je trojnásobný držitel ceny PPC Gonsalves Award a dvakrát získal cenu ISFL Best Paper Award. V roce 1992 obdržel ocenění Khosla Research Award. Nancy McGuire je spisovatelka na volné noze a působí v Silver Spring, Md.

Řízení a údržba průmyslového podniku

Časopis Řízení a údržba průmyslového podniku již přes 10 let patří mezi neodmyslitelný zdroj informací v oblasti průmyslové údržby a diagnostiky. Část obsahu je z pera licenčních autorů Plant Engineering z USA.

www.udrzbapodniku.cz