Olie uit een aandrijving verversen? Doe het op tijd!

Smeermiddelen voor aandrijvingen zijn geformuleerd uit basisoliën en additieven. Afhankelijk van de toepassing en bedrijfscondities kiezen we voor een minerale dan wel een synthetische basisolie. Additieven maken deel uit van een zogenaamd additievenpakket om de aandrijving te beschermen tegen:

• oxidatie;
• slijtage;
• verzuring;
• corrosie;
• het verwijderen/in dispersie (zwevend) houden van vuildeeltjes;
• vermindering van schuimvorming.

Bepaalde eigenschappen kunnen worden beïnvloed of verbeterd door het toepassen van de juiste additieven, terwijl andere eigenschappen juist weer betrekking hebben op de keuze van het type basisolie. Ook kunnen additieven onderling elkaars werking versterken. In dit geval spreken we over synergerende dopes (1 + 1 = 3 in dit geval). Door bepaalde additieven te combineren met bepaalde basisoliën kunnen smeermiddelen worden vervaardigd die optimaal zijn afgestemd op de specifieke toepassing, rekening houdend met de bedrijfstemperaturen, -invloeden en -omstandigheden. Dit leidt in de praktijk tot de diverse typen smeermiddelen die worden toegepast als tandwieloliën.

Degradatie van het smeermiddel vindt plaats gedurende de gebruiksduur van het smeermiddel. Het moment om de olie te verversen is bereikt als verdere degradatie leidt tot een situatie dat de tandwielkast niet langer beschermd kan worden tegen slijtage. Voor het storingsvrij functioneren van een tandwielkast is het belangrijk dat het juiste smeermiddel op basis van bedrijfsomstandigheden en bedrijfscondities is geselecteerd. Om de geplande levensduur van de tandwielkast te behalen is het van belang dat het geadviseerde smeermiddel wordt toegepast en dat met de juiste en opgegeven frequentie wordt ververst.

De olie moet worden vervangen als de volgende situaties voorkomen:

• verontreiniging door vaste deeltjes;
• contaminatie met water (of condens);
• thermische ontleding en oxidatie;
• dope depletie.

Verontreiniging door vaste deeltjes

Verontreiniging door vaste deeltjes worden veroorzaakt door de gebruiker, in het systeem zelf ontstaan of van buitenaf binnendringen.

In de meeste gevallen vindt verontreiniging door vaste deeltjes plaats door de gebruiker. Dit gebeurt tijdens de bouw van de kast en tijdens revisie en reparatiewerkzaamheden. Ook tijdens bijvullen van olie of door het gebruiken van olie die niet aan de gestelde reinheid voldoet kunnen vaste deeltjes in het systeem komen, wat de levensduur van de tandwielkast nadelig kan beïnvloeden. Deze vorm van verontreiniging is te voorkomen door schoon te werken.

Tijdens bedrijf ontstaan er slijtagedeeltjes (vaste deeltjes) die in de olie zweven en mogelijk extra schade kunnen veroorzaken. Uit onderzoek is gebleken dat het meeste machineonderhoud te maken heeft met lagerschade en dat de meeste lagerschade is terug te voeren tot de reinheid van het smeermiddel. Mede door deze slijtagedeeltjes (koper is een actieve katalysator voor veroudering) oxideert de olie en gaat de werking van dopes achteruit.

Omgevingsvuil kan in de kast terechtkomen via afdichtingen of beluchtingen. Een juiste wijze van beluchten met beluchtingsfilters, beluchtingspluggen en het schoonhouden van de omgeving kunnen het binnendringen van vaste deeltjes beperken.

Een netjes ingerichte opslagruimte voor de smeerolie vormt vaak een indicatie dat het onderhoud ook ordentelijk en gestructureerd verloopt, in dit geval het tijdig verversen van de smeeroliën.

Contaminatie met water

Bij reiniging van tandwielkasten met water of wanneer tandwielkasten buiten staan opgesteld, kan regenwater binnentreden in de tandwielkast. Ook bij wisselende bedrijfs- en omgevingstemperaturen en door het ademen van de tandwielkast kan er in de kast waterdamp condenseren waardoor er water in de olie terechtkomt. Hierdoor ontstaat er corrosiegevaar voor assen, tandwielen en lagers.

Omdat water in vrijwel alle vloeistoffen oplosbaar is, is er vrijwel altijd water in de olie terug te vinden. De mate van schade is afhankelijk van de verzadiging van de olie. Bij minerale olie ligt het verzadigingspunt bij 200 tot 300 ppm. Grotere hoeveelheden water, waarbij een emulsie kan worden gevormd, is de meest schadelijke vorm. Deze maken de olie melkachtig en geven sterke sludgevorming in de tandwielkast. Deze sludge is zeer moeilijk te verwijderen en leidt tot hoge kosten.

In bovenstaande grafiek is te zien dat bij een watergehalte van 300 ppm, de lagerlevensduur met 50% afneemt. 

 Reductie van het watergehalte van 500 ppm naar 45 ppm verlengt de levensduur van de tandwielkast met een factor vier

Afhankelijk van de hoeveelheid opgenomen water kunnen de gevolgen zijn:

• Ernstige oxidatie en elektrochemische corrosie van onderdelen en componenten.
• Beschadiging van onderdelen door oxidatie en corrosieve producten. Abrasieve en corrosieve deeltjes kunnen lagerschade veroorzaken en zo de levensduur van de tandwielkast sterk verminderen.
• Snelle verzuring en veroudering van de olie waardoor verandering van viscositeit en sludgevorming ontstaat. Sludgevorming kan oliekanalen verstoppen waardoor onderdelen kunnen drooglopen en er schade kan ontstaan.
• Schuimvorming, toename van viscositeit, bacteriegroei, uitwassing van polaire additieven, en vermindering van de levensduur van filter elementen.
• Verlies van smeerfilmsterkte. Speciaal in zwaarbelaste elasto-hydrodynamische bedrijfscondities, waardoor de levensduur van de tandwielkast sterk vermindert.

De levensduur van de tandwielkast kan dus aanzienlijk worden verlengd indien we ervoor zorgen dat de waterhoeveelheid in de olie door verversing en een juiste beluchting laag wordt gehouden. In de afgebeelde tabel is het watergehalte gereduceerd van 500 ppm naar 45 ppm. Het resultaat is een levensduurverlenging van de tandwielkast met een factor vier (400%)!

Vocht in het kijkglas is nog tot daaraan toe, maar dat betekent meestal ook dat er vocht in de smeerolie zit…

Thermische ontleding en oxidatie

Als we spreken over veroudering van het smeermiddel is oxidatie de belangrijkste oorzaak. Oxidatie is temperatuurafhankelijk. De temperatuur van de olie in de tandwielkast wordt bepaald door de balans tussen opgewekte warmte en afgevoerde warmte. Uit het oogpunt van energieverbruik is het belangrijk om de opgewekte warmte zo klein mogelijk te houden.

De laatste jaren zien we een tendens van steeds kleiner geconstrueerde aandrijvingen. De belastingen nemen steeds verder toe, waardoor ook de olietemperatuur van deze moderne tandwielkasten steeds verder toeneemt. Des te hoger de temperatuur, des te zwaarder wordt de olie belast. De olie oxideert (veroudert) sneller bij toename van de temperatuur en de vorming van oxidatieproducten wordt versterkt als er water aanwezig is. Per 10 graden Celsius temperatuursverhoging praten we al snel van een halvering van de levensduur (= twee keer hogere verversingsfrequentie) van de olie.

Loopt de temperatuur te hoog op, dan ontstaat er een kettingreactie. Door de afbraak van de olie ontstaan zuren en niet-oplosbare oxidatieproducten zoals koolvorming, sludge en vernis (varnish) die zich als een goudgele bruine- en zwarte laag hechten aan metaaloppervlakken van tandwielen, lagers en ook op afdichtingen. Door de hoge zuurgraad van deze varnish worden afdichtingsmaterialen aangetast, wat leidt tot lekkage. De vernisdeeltjes zorgen voor extra slijtage. Daarnaast leidt de mechanische beweging van olie in een tandwielkast door vloeien, roeren, stroming of schuimvorming tot een toename van de zuurstofconcentratie in de olie. Deze opgeloste zuurstof leidt eveneens tot een toename van de oxidatie van de tandwielolie.

Dope depletie

Smering van tandwielen onderscheidt zich van smering van glijlagers door het discontinue karakter. Een tand is gedurende een klein deel van de omwenteling in ingrijping met de andere tand. Bij elke nieuwe ingrijping moet een dragende smeerfilm worden opgebouwd.

Verder is elke beweging van de tandflanken ten opzichte van elkaar een combinatie van rollen en glijden, waarbij de effectieve loopvlaksnelheid (die bepalend is voor de drukopbouw in de smeerfilm) varieert over het traject van ingrijping van een tandenpaar.

Ook de belasting is niet constant. Bij tandwielen met rechte tanden zijn aan het begin en einde twee tandenparen met elkaar in ingrijping terwijl in het gebied daartussen de belasting door een tandenpaar wordt overgedragen. Door dit alles kunnen slechts zeer dunne smeerfilms worden gevormd, en worden met name de EP-additieven in de tandwielolie sterk aangesproken. Dit betekent in de praktijk dat additieven worden verbruikt gedurende de levensduur van het smeermiddel. Dit fenomeen noemen we dope depletie.

Ook worden additieven gedestabiliseerd door hoge temperaturen. Dit is afhankelijk van de tijdsduur en mate waarin deze bloot worden gesteld aan deze hoge temperaturen. Complexe additieven kunnen worden afgebroken in kleinere componenten, en ook synergerende additieven kunnen bij hogere temperaturen degraderen wat leidt tot dope depletie met sludgevorming en corrosie als gevolg.

Conclusie

Om de geplande levensduur van de tandwielkast te behalen en gebruikers een hogere betrouwbaarheid dan wel beschikbaarheid van machines te kunnen garanderen, is het noodzakelijk dat smeermiddelen van aandrijvingen op tijd worden ververst. Dit vraagt ook van leveranciers als Van Meeuwen goede communicatie met zijn klanten om stilstandmomenten te creëren en verversingen (tijdig) uit te voeren. Het uitstellen van verversingen vanwege productie is een groot risico, zowel voor  de klant als voor Van Meeuwen.

Taco Mets,Technical Director, Van Meeuwen Industries BV

www.vanmeeuwen.com

 

Taco Mets, auteur van dit artikel, houdt tijdens het ‘Engineering in Food & Beverage’-event op 3 oktober de lezing ‘10 Smeertechnische tips voor de machinebouwer of -ontwerper’, over toepassingen en situaties waar je bij het ontwerpen of bouwen van een machine misschien niet aan zou denken.