CZ2016367A3

CZ2016367A3 - Způsob vyhodnocení modifikace olejů užívaných do převodových systémů nebo olejů pro obrábění kovových materiálů

Info

Publication number: CZ2016367A3
Application number: CZ2016-367A
Authority: CZ
Inventors: Petr Louda; Totka Bakalova; Roman Kubeš
Original assignee: Technická univerzita v Liberci
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2017-12-27
Also published as: CZ307068B6

Abstract

Předmětem vynálezuje způsob vyhodnocení modifikace olejů užívaných do převodových systémů nebo způsob vyhodnocení modifikace olejů pro obránění kovových materiálů. Do průmyslově dodávaných homogenizovaných minerálních olejů nebo syntetických olejů ěi částečně syntetických olejů se aplikuje 0,1 g/1 oleje až 2,0 g/1 oxid křemičitý ve formě prášku s velikostí jeho částic v rozsahu od 1 nm až 100 nm. Do podstaty vynálezu náleží metodika vyhodnocování modifikovaných mazacích olejů, založená na tom, že se optickým mikroskopem snímá opotřebovaný profil kulového vrchlíku zkušební kuličky ze zvoleného kovového materiálu vtlačované definovanou silou do pohybujícího se zkušebního vzorku opatřeného nejprve mazacím olejem bez přídavku oxidu křemičitého a následně snímá opotřebovaný profil kulového vrchlíku zkušební kuličky vtlačované definovanou silou do pohybujícího se zkušebního vzorku opatřeného mazacím olejem s přídavkem oxidu křemičitého. Následně se pomocí naměřených hodnot stanoví objem odebraného materiálu z kulového vrchlíku zkušební kuličky po každém uskutečněném experimentu. Při každém uskutečněném experimentu se současně stanoví a měří velikost normálové a třecí síly mezi kulovým vrchlíkem

Description

Oblast techniky

Vynález se týká vyhodnocení modifikace průmyslově dodávaných olejů užívaných do převodových systémů k mazání nebo vyhodnocení modifikace olejů užívaných při obrábění kovových materiálů. Tyto oleje se užívají zejména k mazání a odvodu tepla jak z místa kontaktu mezi díly v převodových systémech/ak i mezi obrobkem a nástrojem při obrábění. Úkolem mazacích olejů je snižování jak tření v převodových systémech, tak i tření mezi obrobkem a nástrojem při obrábění, odvádět vzniklé teplo a vytvářet souvislý mazací film mezi kontaktními díly. K modifikaci byly využity průmyslově dodávané homogenizované minerální oleje a také syntetické oleje či částečně syntetické oleje. K modifikaci olejů byly využity nanostruktury, konkrétně oxid křemičitý, použitý ve formě prášku s velikostí jeho částic v rozsahu od 1 nm až 100 nm. Pro vyhodnocování se do olejů dávkovalo množství od 0,1 g/1 oleje až 2,0 g/1 oleje oxidu křemičitého.

Současny stav techniky

Převodové systémy jsou aplikovány v mnohých technologických zařízeních, jako jsou energetická zařízení, zařízení pro gumárenský průmysl, zařízení pro těžbu nerostných surovin nebo zařízení pro kolejová vozidla. Oleje se dále používají i při opracování kovů ke snížení opotřebení nástrojů, zvýšení výkonu strojů a zlepšení kvality povrchu obrobků. V průmyslu, zejména v široké oblasti využití převodových systémů a obrábění, je možné dosáhnout značné úspory spotřeby energie. Existence relativně čistých povrchů a vysokých hydrostatických tlaků vyvolávají tvorbu spojů v třecích uzlech. Tento nepříznivý jev lze omezit užitím vhodného lubríkantu s nanoaditivací. Správné uplatňování lubrikantů vede k výraznému snížení součinitele tření a následnému snížení spotřeby energie. Maziva vytvořená pro uzavřené převodové skříně pracují v normálních, přetěžovaných nebo otřesy namáhaných podmínkách. Tato maziva jsou stejně vhodná pro středně namáhaná ložiska. Oleje zajišťují nepřetržitou ochranu proti opotřebení ve všech průmyslových převodovkách a také ložiskách.

Chemické složení převodových olejů je výrazně odlišné od motorových olejů, protože v převodovkách nejsou tak vysoké teplotní parametry a nepůsobí tam žádné spaliny. Jejich výrobní proces probíhá jak z minerálních tak i syntetických či polosyntetických olejů.

Tribologie je studium tepelných, mechanických a chemických interakcí, které se vyskytují u navzájem na sebe působících pevných povrchů a jejich okolí. Typický tribologický systém se skládá ze třech zúčastněných materiálů - dva pevné materiály v částečném mechanickém kontaktu a třetí, kterým může být lubrikant nebo i pevná látka. Použitý lubrikant se nachází v meziprostoru mezi dotýkajícími se pevnými tělesy.

Zvýšení produktivity v obráběcím průmyslu je spojeno se snížením nákladů na čištění a recyklaci kontaminovaných lubrikantů. Volba vhodného způsobu mazání a aditivace lubrikantů u konvenčních strojů může vést ke zlepšení pracovních podmínek a ke snížení negativního dopadu na lidské zdraví a také na ekologii. Dále využití vhodné aditivace olejů nanočásticemi může vést k navýšení životnosti převodovky pro reálné aplikace, které jsou charakteristické častými rázy. Do mazacího agregátu pro daný zkušební přípravek je možno optimalizovat nastavení správného olejového mazacího filmu, což povede k navýšení životnosti ložisek a ozubení. Následkem nesprávného zacházení s lubrikanty jsou nepříznivé účinky, jako např. znečištění životního prostředí, znečištění vod, kontaminace půdy při jejich likvidaci a případně dermakologické choroby operátorů.

Další oblast použití mazacích olejů je technologie obrábění, která se stále velmi rychle vyvíjí zejména v oblasti mazacích médií, resp. olejů. Požadavky Evropské unie jsou nasměrovány k ekologizaci a dodržování zdravotních norem při práci s mazivy, jako je omezování obsažených nežádoucích chemických látek. Často nelze zabránit přímému kontaktu pracovníků obsluhujících stroje s oleji, které mohou způsobit podráždění pokožky nebo poškodit dýchací ústrojí a sliznici.

Požadavky na mazací oleje představují navýšení životnosti převodovky při častém výskytu rázů během pracovního procesu, optimalizace a nastavení správného olejového mazacího filmu, což vede k navýšení životnosti ložisek a ozubení, dále emulgovatelnost, antikorozní vlastnosti a ochrana před bakteriemi. Pro splnění těchto požadavků pomáhají speciální přísady do olejů. Jejich účelem je navýšit životnost a funkčnost strojních částí a součástí.

V US zveřejněné patentové přihlášce 6*^2009042751 (12.02.2009) je uveden motorový olej obsahující nanočástice o velikosti 5 nm až 100 nm za účelem snížení tření u spolupracující dvojice součástí. V dokumentu jsou také užity nanočástice oxidu křemičitého a jejich množství se pohybuje mezi jedním hmotnostním procentem až deseti hmotnostními procenty. V tomto dokumentu je popsáno také měření koeficientu tření mezi řezacím nástrojem a hranolem. Zde se měří hrubost obráběného povrchu pomocí povrchového profilometru.

Ve zveřejněné mezinárodní přihlášce vynálezu ěťs-te· WO 2014088409 (12.06.2014) je uveden mazací olej s obsahem oxidu křemičitého o velikosti částic mezi 3 nm až 50 nm v množství 0,05 hmotnostních procent až 5,0 hmotnostních procent.

Jsou známé metody hodnocení koeficientu tření a opotřebení materiálů pro vyhodnocení vlastností mazacích olejů. Při těchto hodnoceních se monitoruje třecí síla a normálové napětí nebo se také ještě monitoruje akustická emise či elektrický odpor.

Účelem řešení této problematiky zaměřené k navýšení životnosti převodových systémů je optimalizace a nastavení správného olejového mazacího filmu. Je sledována rovněž emulgovatelnost, antikorozní vlastnosti a také ochrana před bakteriemi. Současně je věnována pozornost modifikaci olejů užívaných při obrábění kovových materiálů při snižování tření mezi obrobkem a nástrojem. Snahou je nalézt přírodní materiály splňující požadovaná kritéria, což je také předmětem tohoto řešení.

Podstata vynálezu

Různé typy nanočástic byly použity jako aditiva do maziv a byl sledován jejich vliv na životnost olejů a převodových systémů. V této souvislosti byl sledován také vliv nanočástic oxidu křemičitého (SiO₂) na výkon mazacího systému. Nanočástice oxidu křemičitého jsou tvrdé, levné a dostupné na trhu. Tyto nanočástice mají velmi dobré mechanické vlastnosti a jsou k dispozici ve velmi malých rozměrech. Jedinečné vlastnosti nanočástic jsou spojené právě s jejich velikostí. Je-li částice v rozsahu nanometrů, dosahuje mnohem větší povrchové plochy na jednotku objemu. Reaktivita nanočástic se rychle zvyšuje v závislosti na počtu atomů nebo molekul přítomných na jejich povrchu. Je prokázána závislost mezi velikostí nanočástic, jejich krystalovou strukturou a novými fyzikálními, chemickými a biologickými vlastnostmi. Použití přírodních plniv či aditiv ve formě nanočástic má vysokou účinnost z důvodu jejich vysoké chemické a biologické aktivity. Vhodná alternativa pro vývoj antimikrobiálních látek jsou syntetizované nanočástice kovů, které ještě působí antibaktericidně, jako jsou příkladně nanočástice na bázi stříbra.

Pro modifikaci průmyslově dodávaných olejů užívaných do převodových systémů nebo při obrábění kovových materiálů se používá olej s různou viskozitou z průmyslově dodávaných olejů. Pro vyhodnocování účinků aditiv v olejích byl vybrán oxid křemičitý (SiO₂) ve formě prášku₍a to o velikosti jeho částic v rozsahu 1 nm až 100 nm v množství od 0,1 gramu na litr oleje do 2,0 gramu na litr oleje. Po provedené aditivaci oleje je nutná homogenizace takto vzniklé olejové emulze.

Předmětem vynálezu je vypracovaný způsob vyhodnocení provedených modifikací mazacích olejů, a to jak pro převodové systémy, tak také pro obrábění kovových materiálů. Z obecného pohledu způsob vyhodnocení provedené modifikace olejů spočívá v tom, že mezi dva zkoušené materiály se dávkuje mazací olej nejprve bez obsahu nanočástic oxidu křemičitého a následně s obsahem nanočástic oxidu křemičitého.

Podle vynálezu metoda vyhodnocení provedené modifikace olejů spočívá vtom, že se optickým mikroskopem snímá opotřebovaný profil kulového vrchlíku zkušební kuličky ze zvoleného kovového materiálu vtlačované definovanou silou do pohybujícího se zkušebního vzorku opatřeného nejprve mazacím olejem bez přídavku oxidu křemičitého a následně snímá opotřebovaný profil kulového vrchlíku zkušební kuličky vtlačované definovanou silou do pohybujícího se zkušebního vzorku opatřeného mazacím olejem s přídavkem oxidu křemičitého. Definovaná síla přítlaku vtlačování kulového vrchlíku zkušební kuličky do zkušebního vzorku z kovového materiálu je rozdělena na sílu působící kolmo na zkušební vzorek z kovového materiálu a na třecí sílu působící mezi kulovým vrchlíkem zkušební kuličky a kovovým zkušebním vzorkem. Z naměřených jednotlivých * · • * • · ··· · · · ·« «· · · · ·· ··· · ·· t hodnot se stanoví objem odebraného materiálu z kulového vrchlíku zkušební kuličky po každém uskutečněném experimentu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález se týká využití a zhodnocení různých průmyslově dodávaných olejů, které mohou byt minerální, syntetické či polosyntetické do převodových systémů nebo při obrábění kovových materiálů.

Základové oleje jsou vyráběny několika technologiemi, neboť surové ropné destiláty nemají požadované vlastnosti. Nejstarší technologie je extrakční (selektivní) rafmace, modernější jsou hydrokrak a výroba syntetických olejů. Extrakční rafináty jsou klasické minerální oleje s dosti velkým podílem aromatických uhlovodíků, jež jsou velkým zdrojem tvorby karbonu a tím i znečištění oleje. Hydrokrakové základové oleje obsahují nízké procento aromatických uhlovodíků a téměř nulový obsah síry. Syntetické základové oleje mají nulový obsah aromatických uhlovodíků a síry, lepší nízkoteplotní vlastnosti a odpamost. Využívají se zejména polyalfaolefíny (PAO), ale pro špatnou rozpustnost s některými aditivy bývají doplněny esterovými oleji, které zlepšují rozpustnost aditiv a mazivost olejů.

Jednou z charakteristik olejů je jejich viskozita. Viskozita oleje je odpor, jímž tekutina působí proti silám snažícím se posunout její nejmenší částice. Na stykové ploše dvou vrstev tekutiny pohybujících se různou rychlostí se projevuje viskozita tečným napětím, jímž se snaží rychlejší vrstva urychlovat pomalejší a ta naopak zadržovat vrstvu rychlejší. Viskozita určuje vlastně režim mazání, tvorbu a únosnost mazacího filmu, velikost odporu pohyblivých částí, těsnicí schopnost a čerpatelnost. Vlivem tlaku a teploty se viskozita oleje výrazně mění. Tyto závislosti určují vlastnosti k druhu použití oleje.

Oleje, které se používají při obrábění, mají výborné mazací vlastnosti a při nízké viskozitě také velmi dobře odvádějí teplo vznikající při opracování materiálu. Proto jsou v posledních letech a v moderních výkonných strojích stále častěji místo emulzí používány nízkoviskózní řezné oleje.

Přidáním chemických prvků a dalších chemických látek do průmyslově dodávaných olejů jsou sledovány následující cíle. Modifikací průmyslově dodávaných olejů je z hlediska biologického dosaženo potlačení růstu a množení bakterií a z hlediska technologického zlepšení tribologických vlastností olejů a snížení opotřebení třecí strojové dvojice i pro jejich dlouhodobé použití. Jedná se o průmyslově dodávané oleje, které mohou být minerální, syntetické a polosyntetické do převodových systémů nebo při obrábění kovových materiálů.

Příklad

Jít;

Modifikace průmyslově dodávaných olejů vede ke snížení opotřebení vlastní třecí dvojice součástí a přispívá pro její dlouhodobé používání. Přidání nanočástic oxidu křemičitého do průmyslově dodaných olejů vedlo vždy ke snížení opotřebení použité třecí dvojice, která je v kontaktu s olejem. K vyhodnocení změn po přidání nanočástic do objemu průmyslově dodaných olejů byla podle vynálezu vypracována metoda spočívající ve vtlačování pevně uchyceného zkušebního tělíska ve tvaru kuličky ze zvoleného materiálu předem definovanou silou do zkušebního vzorku kovového materiálu. Do zkoušeného oleje bylo přidáno 0,1 gramu na litr oleje nanočástic oxidu křemičitého (S1O2) ve formě prášku o velikosti částic 5 nm až 30 nm. Před použitím oleje s tímto aditivem byla provedena homogenizace takto vytvořené směsi.

Po dosažení zvoleného zatížení zkušebního tělíska ve tvaru kuličky dochází k posunu jednoho materiálu vůči druhému. Součásti měřicího systému je snímač, který umožňuje měření normálové a třecí síly mezi zkušebním tělískem a zkušebním vzorkem kovového materiálu v průběhu experimentu. V průběhu experimentu se užije v jednom případě mazací olej bez přídavku nanočástic oxidu křemičitého a ve druhém případě mazací olej s obsahem nanočástic oxidu křemičitého. Po zvolenou dobu experimentu vzniká opotřebení, které lze definovat jako poškození povrchu zahrnující progresivní ztrátu materiálu v důsledku relativního pohybu mezi povrchem zkušebního tělíska a povrchem zkušebního vzorku kovového materiálu. Pro vyhodnocení opotřebení se po skončení experimentu optickým mikroskopem snímá opotřebovaný profil kulového vrchlíku zkušební kuličky a z naměřených hodnot se stanoví objem odebraného materiálu z kulového vrchlíku zkušební kuličky po každém uskutečněném experimentu. Při této vyhodnocovací zkušební metodě se ukázalo, že přidání nanočástic oxidu křemičitého do daného objemu průmyslově dodaných olejů vede ke snížení opotřebení profilu kulového vrchlíku zkušební kuličky. Opotřebení zvolené třecí dvojice kovových materiálů ukázalo, že přidání nanočástic oxidu křemičitého do daného objemu průmyslově dodaných olejů vede ke snížení opotřebení o 20 % až o 50 % ve srovnání s původním olejem bez přítomnosti nanočástic oxidu křemičitého.

Při provedených experimentech s využitím vypracované metody podle vynálezu k vyhodnocení modifikace průmyslově vyrobených a dodaných olejů do převodových systémů nebo olejů pro obrábění kovových materiálů se prokázaly pozitivní účinky užití nanočástic oxidu křemičitého a to jak pro syntetický či polosyntetický olej tak v případě nízkoviskózních olejů pro obrábění jako jsou minerální oleje nebo syntetické či polosyntetické oleje.

Claims

X Způsob vyhodnocení modifikace olejů užívaných do převodových systémů nebo olejů pro obrábění kovových materiálů obsahujících od 0,l gramu na litr oleje do 2,0 gramů na litr oleje oxid křemičitý ve formě prášku o velikosti částic v rpzsahu od l nm až 100 nm, vyznačený tím, že K'optickým mikroskoperrvsnímá opotřebovaný profil kulového vrchlíku zkušební kuličky ze zvoleného kovového materiálu vtlačované definovanou silou do pohybujícího se zkušebního vzorku opatřeného nejprve mazacím olejem bez přídavku oxidu křemičitého a následněysnfmá opotřebovaný profil kulového vrchlíku zkušební kuličky vtlačované definovanou silou do pohybujícího se zkušebního vzorku opatřeného mazacím olejem s přídavkem oxidu křemičitého, přičemž se současně stanowrfiTěn velikost normálové a třecí síly mezi kulovým vrchlíkem zkušební kuličky a zkušebním vzorkerrva následně se pomocí naměřených hodnot stánovf/Yíbjem odebraného materiálu z kulového vrchlíku zkušební kuličky po každém uskutečněném experimentu.