Olejový film mezi dvěma povrchy může mít tloušťku jen několik set nanometrů. I velmi malá rýha na ložisku proto může být ve skutečnosti velkým zásahem do mazání.
Výzkumníci z VUT v Brně a Shanghai University proto sledovali, jak skutečná drsnost povrchu kuželíkového ložiska ovlivňuje vznik elastohydrodynamického mazacího filmu.
Co přesně vědci testovali?
Výzkumníci vytvořili kontakt mezi ocelovým kuželíkovým válečkem a optickým kotoučem. Použitý váleček pocházel z běžného kuželíkového ložiska 30202, takže jeho povrch měl skutečné stopy po výrobním opracování.
Díky optickému zařízení mohli sledovat, jak silná vrstva oleje vzniká mezi oběma povrchy. Rozlišení měření tloušťky filmu bylo přibližně 1 nm.
Jako mazivo použili minerální základový olej N2400 bez aditiv. Test probíhal při 25 °C a za podmínek čistého valení.
Jednoduše řečeno: vědci sledovali skutečný povrch ložiskového válečku a měřili, co jeho drobné rýhy dělají s tenkou vrstvou oleje mezi dvěma zatíženými povrchy.
Co se dělo u mělkých nerovností?
U menších a mělkých nerovností nebyl celkový vliv na mazací film příliš výrazný.
Olejový film v těchto místech jednoduše kopíroval tvar povrchu. Naměřená tloušťka filmu sice lokálně kolísala, ale průměrná tloušťka ve střední části kontaktu zůstávala velmi blízko vypočtené hodnotě.
Výsledky ukázaly, že běžná mělká drsnost povrchu může při plném mazacím filmu způsobovat pouze malé lokální změny. Rozhodující se ukázala až větší hloubka konkrétní rýhy.
Co udělala hlubší rýha s mazacím filmem?
Zásadně odlišné chování vědci pozorovali u jedné hlubší podélné rýhy.
Rýha měla přibližně 800 nm do hloubky a asi 10 µm na šířku. Přestože jde o rozměry neviditelné pouhým okem, její vliv na mazací film byl výrazný.
V místě rýhy se nevytvořil dostatečný hydrodynamický tlak. Část oleje mohla zároveň unikat do strany a výsledkem bylo výrazné lokální ztenčení mazacího filmu.
Stejný základní jev se objevil i při vyšším kontaktním tlaku, když byl skleněný kotouč nahrazen safírovým.
Proč je tenčí mazací film problém?
Úkolem mazacího filmu je oddělit dva zatížené povrchy tak, aby se jejich mikroskopické nerovnosti pokud možno přímo nedotýkaly.
Pokud se film v určitém místě výrazně ztenčí, zmenšuje se bezpečná vzdálenost mezi oběma povrchy a může růst pravděpodobnost jejich kontaktu.
Praktická myšlenka: problém nemusí být v tom, že je oleje v systému málo. Olej může být přítomný, ale kvůli geometrii poškozeného povrchu nemusí v kritickém místě vytvořit dostatečně silný mazací film.
Co z této studie plyne pro ložiska a mazání v praxi?
Studie ukazuje, že výslednou kvalitu mazání neurčuje pouze viskozita a složení oleje. Velkou roli hraje také stav povrchu mazané součásti.
To je důležité například u válečkových, kuželíkových a jehlových ložisek, kde vznikají velmi malé mazací mezery a současně vysoké kontaktní tlaky.
Hlubší rýha nebo jiná lokální vada povrchu může způsobit, že skutečná minimální tloušťka olejového filmu bude výrazně menší, než by odpovídalo ideálnímu hladkému povrchu.
To může zvýšit riziko přímého kontaktu povrchů, tření a následného opotřebení.
Co tato studie naopak nedokazuje?
- Experiment byl proveden v laboratorním optickém zařízení, nikoliv v kompletním provozním ložisku.
- Použit byl jeden minerální základový olej N2400 bez aditiv.
- Studie neporovnávala různé viskozitní třídy ani různé formulace maziv.
- Testy probíhaly za podmínek čistého valení.
- Nelze z výsledků určit univerzální maximální přípustnou hloubku rýhy pro všechna ložiska.
- Autoři sami uvádějí, že pro různé provozní podmínky je potřeba další experimentální výzkum.
Jaký je hlavní závěr studie?
Experiment ukázal, že hloubka povrchové nerovnosti může zásadně ovlivnit vznik mazacího filmu v silně zatíženém kontaktu ložiska.
Mělké nerovnosti způsobovaly hlavně malé lokální změny, ale podélná rýha hluboká přibližně 800 nm už dokázala výrazně snížit tloušťku olejového filmu.
Z praktického hlediska je hlavní myšlenka jednoduchá: správný olej je důležitý, ale jeho schopnost oddělit povrchy závisí také na skutečném stavu a geometrii mazaných součástí.