7. Dijagnostika Kvarova Sustava Ulja Brodskih Motota

44 Ukorak s vremenom br. 46

Pol Vrsalovi, dipl. ing. pom. stroj., Teknoxgroup, Split Doc. Nikola Rai, dipl. ing. pom. stroj., Pomorski fakultet, Split Izv. prof. Gojmir Radica, dipl. ing. stroj., FESB, Split

1. UVOD

Sustav ulja je vaan imbenik za rad

jednog, kompleksnog stroja kao to je brodski

dizelski motor. Osnovne funkcije ulja za pod-

mazivanje zajedno sa aditivima jesu stvaranje

kliznog uljnog filma u leajevima te odvoenje

topline.

Klasini simptomi kvarova motora usli-

jed problema sa sustavom ulja za podmazivanje

su: zaribavanje leaja, zaglavljivanje klipnog

prstena i pretjerana potronja ulja za pod-

mazivanje. Osnovni naini izbjegavanja na-

vedenih problema su: uporaba adekvatnog tipa

ulja, planirane promjene ulja i stalno odra-

vanje sustava podmazivanja.

Kod motornih ureaja ulje se koristi za

smanjenje trenja izmeu tarnih povrina, za od-

voenje topline nastale trenjem, za odstranji-

vanje neistoe s kliznih povrina stapa i ko-

uljice te za neutraliziranje kiselih produkata

izgaranja.

Motorna ulja trebaju zadovoljiti slijedee

uvjete:

- viskoznost mora udovoljavati uvjetima rada

motora bez obzira na izmjenu temperature u

dozvoljenim granicama;

- moraju biti otporna na isparavanje;

- moraju biti otporna prema oksidaciji i

starenju;

- moraju imati mogunost rastapanja ae i

koksa u produktima izgaranja;

- moraju imati zadovoljavajuu mazivost

(dobru i trajnu vrstou uljnog filma);

- ne smiju biti korozivna.

Motorna ulja se dijele na prirodna i legi-

rana. Prirodna ulja se dobivaju frakcijskom de-

stilacijom prirodnog zemnog ulja. Ulja dobive-

na frakcijskom destilacijom imaju odreenu

viskoznost, plamite i gustou.

Osnovni nedostatci prirodnih ulja:

- nemaju sposobnost otapanja taloga koji

nastaje izgaranjem i starenjem ulja u

motoru;

- nemaju sposobnost neutralizacije kiselih

produkata izgaranja;

- mala im je otpornost protiv oksidacije.

Dodatkom razliitih aditiva prirodnom

ulju dobivaju se legirana ulja poboljanih kva-

liteta. Legirana ulja imaju kombinirane do-

datke:

- u svrhu poveavanja deterdentskih i dis-

perzijskih svojstava kojima se ele odrati

metalne povrine iste dodaju se fosfati,

alkohol ili aditivi s velikom molekularnom

masom, koji sadre cink, barij, magnezij ili

njihove hidrokside, ali ti aditivi nemaju

sposobnost otapanja taloga koji nastaje

izgaranjem i starenjem ulja u motoru; u

svrhu poveanja otpornosti na starenje i

oksidaciju ulja dodaju se sulfidi i fosfati te

metali kositar, barij i cink ime se sprjeava

stvaranje mulja i lakova na metalnim dije-

lovima kao i korozivno djelovanje bijelog

metala;

Ukorak s vremenom br. 46 45

- u svrhu zatite metalnih povrina od ko-

rozivnog djelovanja ulja dodaju se spojevi

koji ulju poveavaju otpornost na oksi-

daciju; dodaju se spojevi s fosforom, sum-

porom ili duikom, metalne soli trifosforne

kiseline i sl.;

- cilindrinim uljima dodaju se aditivi koji sa

stvorenim kiselinama tvore sulfatne spojeve

barija ili kalcija disperzirane u ulju. Ti

spojevi su na bazi alkil-fenolata barija ili

kalcija;

- u svrhu poveanja temperature skraivanja

uljima se dodaju proizvodi kondenzacije

kloriranog parafina i naftalina;

- za poboljanje viskoznosti i otpornosti na

poveane temperature ulju se dodaju poli-

merizirani olefini, izoolefini itd.

U pomorstvu na brodskim strojnim

pogonima koristimo ulja mineralnog podrijetla

dobivena frakcijskom destilacijom zemnog

ulja, a to su turbinska, strojna, cilindarska i

kompresorska ulja.

2. PODMAZIVANJE

Najkoritenija maziva danas su sinte-

tika i naftna tekua maziva. Tekua maziva

omoguavaju tri sloja podmazivanja.

Granini sloj uljnog filma (vidi sliku 1,

prema [7]) vrlo je tanak sloj koji se formira re-

akcijom maziva, zraka i metalne povrine. Po-

vrine elemenata su u meusobnom dodiru i

optereenje se prenosi s jedne na drugu

povrinu preko neravnina u spregu. Granino

podmazivanje se analizira preko promjena vri-

jednosti koeficijenta trenja u graninom sloju i

koeficijenta trenja na mjestima dodira metala,

po jednadbi:

gwmw aa )1( (1)

gdje je:

a w - dio stvarne povrine dodira

m - koeficijent trenja spregnutih povrina

metala,

g - koeficijent trenja graninog sloja.

Slika 1 Granini sloj podmazivanja [7]

U cilju smanjenja trenja i troenja u

procesu graninog podmazivanja potrebno je

osigurati pogodan povrinski, odnosno granini

sloj. Stvaranje graninih slojeva postie se:

fizikom apsorpcijom, kemijskom apsorpcijom

i kemijskim reakcijama.

Hidrodinamiki sloj nastaje poveanjem

brzine kretanja povrina. Hidrodinamiki sloj

maziva prikazan je na slici 2, prema [7].

Slika 2 Hidrodinamiki sloj podmazivanja [7]

Hidrodinamiko podmazivanje pred-

stavlja nain podmazivanja kod koga su po-

vrine koje se podmazuju razdvojene kontinui-

ranim slojem maziva u toku kretanja, odnosno

gdje se trenje povrinskih reljefa u potpunosti

Hidrodinamiko podmazivanje predstavlja na-

in podmazivanja kod koga su povrine koje se


podmazuju razdvojene kontinuiranim slojem

maziva u toku kretanja, odnosno gdje se

trenje povrinskih reljefa u potpunosti za-

mjenjuje unutarnjim trenjem estica maziva. Za

vrijeme mirovanja, pokretanja ili zaustavljanja

povrine se nalaze u direktnom kontaktu.

Elementi mehanikih sustava kod kojih

se ostvaruje hidrodinamiko podmazivanje od-

likuju se slijedeim tribolokim karakteristika-

ma:

- povrine koje se podmazuju razdvojene su

kontinuiranim slojem maziva dovoljne de-

bljine tako da ne dolazi do njihovog dodira,

osim pri pokretanju i zaustavljanju;

- optereenje se prenosi s jedne na drugu

povrinu preko sloja maziva koji posjeduje

odreenu mo noenja nastalu kao rezultat

relativnog kretanja povrina;

- otpor uslijed trenja u sustavu je odreen

veliinom unutranjeg trenja u mazivu.

Debljina uljnog sloja, kod hidrodinami-

kog podmazivanja, mora biti vea od zbroja

visina povrinskih reljefa kliznih povrina.

Debljina sloja koja je jednaka zbroju

visina povrinskih reljefa naziva se kritinom

debljinom i ispod nje prestaju zakonitosti hi-

drodinamikog podmazivanja.

Elastohidrodinamiki sloj podmazivanja

pri veim optereenjima i veim povrinskim

brzinama deformira se elastino. Tanki uljni

film je zarobljen izmeu metalnih povrina, vi-

di sliku 3, prema [7]. To je elastohidrodinami-

Slika 3. Elastohidrodinamiki sloj podmazivanja [7]

ki sloj ulja koji moe nositi optereenje.

Za elastohidrodinamiko podmazivanje

karakteristino je da se optereenje prenosi

preko velike povrine dodira. Meutim, postoje

mnogi elementi strojeva (zupanici, leajevi i

sl.) kod kojih se teoretski dodir ostvaruje u

toki ili po liniji. Stvarni dodir je po nekoj

maloj, ali konanoj povrini. Mala dodirna

povrina uzrokuje velika specifina opteree-

nja, to izaziva elastine deformacije povr-

inskih slojeva i promjenu geometrije povrine

dodira.

Mjeovito podmazivanje predstavlja

prijelazni oblik izmeu potpunog i graninog

podmazivanja. Kada je debljina sloja maziva

nedovoljna da potpuno razdvoji povrine, javlja

se mjestimini direktni kontakt povrina.

Mjeovito podmazivanje se javlja u

sluaju malih brzina kretanja strojnih elemenata

pri visokim optereenjima.

gdje je :

Gear zupanik

Boundary layer granini sloj podmazivanja

Hydrodynamic layer hidrodinamiki sloj podmazivanja

Elastohydrodinamic layer elastohidrodina-miki sloj podmazivanja

3. DIJAGNOSTIKA STANJA ULJA

Postoje brojne mogunosti za kontami-

naciju ulja, a time i za njegovu degradaciju.

Kontaminacija i degradacija ulja u eksploa-

taciji se ne mogu potpuno sprijeiti ali se mogu

znatno usporiti, to je vrlo vano i za ulje i za

strojne sustave. Brzina i stupanj degradacije

ulja upravo su proporcionalni brzini i stupnju

kontaminacije. Zbog toga je vano sprijeiti

brzu kontaminaciju ulja prije i tijekom uporabe.

Spektar kontaminanata ulja dosta je irok, a


svaki kontaminant utjee destruktivno na ulje,

umanjujui mu fizikalno-kemijske i radne ka-

rakteristike, tako da su konane posljedice

skraivanje radnog vijeka ulja i motora.

Za utvrivanje stupnja degradacije ulja

koriste se razne dijagnostike metode. Naj-

pouzdanije rezultate daju laboratorijske analize

ulja. Promjene stanja ulja tijekom uporabe

zakljuuju se iz nekoliko testova: koliine ta-

loga, razrjeenje ulja gorivom, kemijske pro-

mjene u ulju nastale zbog korozije ili oksi-

dacije, stupanj istroenosti metalnih dijelova.

Temeljem laboratorijskih analiza utvr-

uje se stupanj degradacije ulja i temeljem toga

se donosi odluka da li je ulje za daljnju uporabu

ili ga je potrebno promijeniti. Analiziraju se

sljedei parametri:

- Izgled ulja moe ukazati da je potrebno iz-

vriti neke analize, no meutim ne postoji

tona metoda za definiranje izgleda kori-

tenog ulja;

- Sadraj vode (% v/v) dozvoljena koliina

vode u ulju je: za hidraulina ulja 0,1%, a

za motorna ulja 0,2%;

- Gustoa (kg/m na 15 C) dozvoljena

promjena gustoe je 10%;

- Toka paljenja ( C) ovom analizom se

utvruje prisutnost goriva u ulju;

- Kinematika viskoznost ( mm/s ) -

snienje viskoznosti moe biti posljedica

mijeanja sa uljem nie viskoznosti ili zbog

pri-sutnosti goriva. Porast viskoznosti moe

biti posljedica kontaminacije vodom ili pro-

duktima habanja, nazonou ae, ili pro-

dukata oksidacije te mijeanja sa uljem vie

viskoznosti;

- Sadraj goriva (%) odreuje se destila-

jom, a granina vrijednost je 5%;

- Talog (%) poveava viskoznost ulja i

smanjuje mu disperzijska i deterentna

svojstva, zaepljuje filtre ulja i sprjeava

protok te sljepljuje klipne prstenove. Do-

zvoljena granica taloga za motorna ulja je

1%;

- Nerastvorive materije one mogu biti pro-

izvodi degradacije ulja i kontaminanti

(koks, praina, organski oksidi, estice me-

tala nastale habanjem);

- Ukupni bazni broj TBN ova analiza je

vana samo za motorna ulja i smatra se da

ulje treba zamijeniti ako TBN padne za 50

% od poetne vrijednosti;

- Emisijska spektrofotometrijska analiza

odreuje sadraj razliitih metala prisutnih

u mazivu. estice metala su abrazivne a

ponaaju se i kao katalizatori oksidacije

ulja. U motornim uljima, porijeklo eleme-

nata moe biti iz aditiva, od habanja, iz

goriva, iz zraka ili iz tekuine za hlaenje.

Metali iz aditiva mogu biti Zn, Ca, Ba ili

Mg i ukazuju na istroenost aditiva. Metali

koji potjeu od habanja su: Fe, Pb, Cu, Cr,

Al, Mn i Ag i ukazuju na poveano troenje

u tim sklopovima. Elementi koji potjeu iz

rashladne tekuine su Na i B;

- Koliine estica u ulju broj se moe

odrediti laserskom ili optikom metodom.

Laserska metoda daje koliinu, veliinu i

distribuciju estica, dok optika metoda

daje i identifikaciju. esto se koristi i kom-

binacija ove dvije metode. Rezultat odrei-

vanja koliine pojedinih estica najee se

izraava po ISO skali istoe. Tako se broj

estica izraava odvojeno po veliinama od

5, 15 i 25 mikrona po ml ulja.

Na slici 4., prema [11], prikazana je

shema naina funkcioniranja planiranog odra-

vanja ulja.


Slika 4 Vodi za SOS analizu ulja

gdje je:

External contamination oneienje iz vanjskog

izvora;

Water (coolant/other) voda (rashladna/voda

neke druge namjene);

Fuel gorivo;

Dirt neistoa;

Oil transfer from another compartment prije-

nos ulja iz drugog odjeljka;

Make-up oil ulje za nadolijevanje;

Maintenance odravanje;

Wrong oil used uporabljeno pogreno ulje;

Plugged air filter zaepljen filtar zraka;

Improper fuel setting pogrena podeenost

sustava goriva;

Extended oil change - produljen period zamjene

ulja;


Poor cooling maintenance loe odravan

rashladni sustav;

Fuel quality kakvoa goriva;

Sacrificial surfaces (bearings) potrone radne

povrine (leajevi;

Asembly fit/torque podeavanje/moment spajanja

pri montai;

Break in wear (new/rebuilt) troenje

prilikom uhodavanja (novo/remontirano);

Manufacturing debris zaostale metalne neisto-

e nakon ugradbe ili odravanja;

Mating surfaces Fit/Finish prilagodba tarnih

povrina leaja za uhodavanje;

Parts defects greke pojedinih elemenata;

Competitive parts use - uporaba neoriginalnih

dijelova;

Application primjena;

Climate/terrain podneblje/teren;

Severe/improper operation grube / pogrene

operacije;

Excessive idling/lugging prekomjeran rad u

praznom hodu/preniskom broju okretaja

High altitude velika nadmorska visina;

High operation temp's visoke radne

temperature;

High humidity visoka vlanost;

Cold operating temp's niske radne temperature;

Positive water potvrena prisutnost vode;

Positive glycol potvrena prisutnost glikola;

Fuel dilution razrjeenje gorivom;

Silicon/Aluminium silicij/aluminij;

Viscosity viskozitet;

Metalic element(s) metalni dijelovi;

Contaminants zagaivai;

Oil condition stanje ulja;

Metalic elements increase poveanje koliine

metalnih elemenata;

TBN ukupni bazni broj;

Soot aa;

4. KVAROVI USLIJED NEADE-

KVATNOG PODMAZIVANJA

Karakteristina oteenja uslijed ne-adekvatnog podmazivanja

Oteenja uslijed nedovoljnog podmazi-

vanja nastupaju ak i kada postoji dovoljno

zranosti izmeu cilindra i klipa. Tijekom rada

dolazi do prekida uljnog filma, najee samo

mjestimice, zbog poveanja temperature ili

zbog prisutnosti goriva u ulju.

Na slici 5, prema [6] prikazano je ote-

enje nastalo uslijed kratkotrajnog potpunog

prekida podmazivanja. Oteena podruja su

bez brazgotina, najee na platu klipa, a ka-

rakterizira ih istroenje materijala i zatamnjenje

povrine.

Slika 5 - Oteenje uslijed potpunog prekida uljnog filma [6]

Slika 6 Oteenje uslijed nedovoljnog podmazivanja [6]


Oteenje na slici 6, prema [6] je iden-

tino oteenju uslijed potpunog prekida uljnog

filma, osim to nema pojave zatamnjenja radne

povrine, ve se vidi ist metal.

Na slici 7, prema [6] prikazana su ote-

enja nastala uslijed nedovoljnog podmazi-

vanja, a na slici 8, prema [6] prikazano je ote-

enje klipa uslijed porasta temperature.

Slika 7 - Raspored oteenja uslijed nedovoljnog podmazivanja [6]

Slika 8 - Oteenje klipa uslijed porasta

temperature [6]

Kod oteenja uzrokovanog prisutnou

goriva u ulju, zona prstena ostaje neoteena,

kao to je prikazano na slici 9,prema [6], jer je

samo prsten u kontaktu s radnom povrinom

cilindra.

esta su oteenja uslijed nedostatka

ulja koja su uzrokovana neispravnou uljnog

prstena. Ogrebotine uzrokovane oteenjima i

nesagorenim tvarima prisutne su na radnoj

povrini prstena, uslijed ega cilindar dobiva

ogrebotine po duini, to je vidljivo na slici 10,

prema [6].

Slika 9 - Rad bez podmazivanja uzrokovan prisutnou goriva u ulju [6]

Slika 10 - Oteenja uljnog prstena [6]

Na slici 11, prema [6] prikazani su prvi

znakovi istroenja (lijeva slika), i uznapredova-

lo oteenje koje je zahvatilo cijeli klip.

Slika 11 - Istroenja klipa uslijed neispravnosti uljnog prstena [6]

U sluaju pregrijavanja kao rezultat dolazi

do prekida uljnog filma. Oteeno podruje ima

zatamnjenu i napuklu povrinu to je prikazano na

slici 12, prema 6.

Na slici 13, prema [8] je prikazana uspo-

redba novog i istroenog leaja uslijed nedo-


Slika 12 - Oteenja uslijed pregrijavanja [6]

Slika 13 - Usporedba novog leaja i leaja koji je kratko vrijeme radio s nedovoljnim

podmazivanjem [8]

voljnog podmazivanja. Takoer, do ovih

oteenja moe doi i zbog preoptereenja

leaja te zbog loeg podmazivanja.

Slijedea slika 14, prema [8] prikazuje

oteenje leaja zbog nedovoljnog podmaziva-

nja.

Slika 14 - Istroenja leaja zbog nedovoljnog

podmazivanja [8]

Na slici 15, prema [8] prikazan je leaj

koji je radio bez podmazivanja i ija je

temperatura prela 430 C.

Slika 15 - Leaj oteen pregrijavanjem zbog nestanka podmazivanja [8]

Simptomi pregrijavanja leaja su: gubi-

tak boje leaja ili pojava boje - od zlatne do

plave. Rezultati pregrijavanja su gubitak tvrdo-

e to uzrokuje kvar leaja. U ekstremnim

sluajevima dolazi do deformacija. Porast tem-

perature leaja utjee takoer i na smanjenje

kvalitete ulja za podmazivanje.

Na slici 16, prema [8] su prikazana

oteenja zbog metalnih estica koje su se nale

u sustavu ulja. Ove estice najee ostanu na-

kon remonta, a pokretanjem motora, struja ulja

ih dovede u leaj te dolazi do prikazanih ote-

enja.

Slika 16. Leaj oteen metalnim dijelovima koji su doli u sustav ulja [6]


ZAKLJUAK

Prilikom uporabe ulja vano je izabrati

odgovarajui tip ulja i odravati ga istim,

svjeim i bez nazonosti vlage. U praksi, to

povlai za sobom brojne tehnologije i pravila

koja osiguravaju ispunjenje prethodnih uvjeta,

a to u znatnoj mjeri ovisi o namjeni.

Ispravan izbor podrazumijeva pravilan

odabir baznog ulja, ispravne viskoznosti i

ispravnih aditiva za odgovarajuu namjenu.

Vrlo je vano voditi rauna o oneie-

nju ulja sa aspekta udjela vode i estica, jer

takva oneienja mogu imati izrazito tetne

uinke na radni vijek ulja i motora.

Pravilno odravanje ulja omoguuje

maksimalnu produktivnost uz minimalne tro-

kove. Pomou pravovremenih analiza mogue

je: ostvarivanje stalnog nadzora svih glavnih

sustava stroja, otkrivanje problema u ranoj fazi

te ustroj kompletne servisne povijesti stroja i

ulja za njegovo podmazivanje. Time se sma-

njuju kvarovi strojeva kao i trokovi poprav-

ljanja, a smanjeni su i trokovi nabave ulja i

njegova odlaganja.

Literatura

[1] Antolovi B.: Goriva i maziva, Hydac hydraulic GmbH, Zagreb 2004.

[2] Kurtela .: Osnove brodostrojarstva, Dubrovnik 2000.

[3] Mili L.: Brodski motori 1, Dubrovnik 2009.

[4] Ozreti, V.: Brodski pomoni strojevi i ureaji, Split 1996.

[5] Radica G.: Dijagnostika kvarova, Split

2001.

[6] Waldhauer, Schilling, Schnaibel, Szopa:

Piston damages, MSI Motors Service

International GmbH 2004.

[7] Basics of lubrication, Caterpillar 2001.

[8] Engine bearing, Caterpillar 2001.

[9] Journal of ASTM International, 2005.

[10] MAN B&W S4MC-CT, Project Guide,

2009.

[11] Marine Service Handbook, Caterpillar,

2004.

Documents

7. Dijagnostika Kvarova Sustava Ulja Brodskih Motota