η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ

Transcript

1 6.1 6 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΔΟΚΙΜΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΛΙΠΑΝΤΙΚΩΝ ΛΙΠΩΝ (ΓΡΑΣΣΩΝ) 6.1 Λιπαντικά λίπη (Γράσσα) Σύμφωνα με τον ορισμό της ASTM (American Society for Testing and Materials), το λιπαντικό λίπος ή γράσσο είναι ένα ημίρευστο προϊόν που προέρχεται από τη διασπορά ενός παχυντή μέσα σε ένα υγρό λιπαντικό. Στο προϊόν αυτό μπορεί να περιέχονται και άλλα συστατικά, που ονομάζονται πρόσθετα ή βελτιωτικά, τα οποία προσδίδουν στο γράσσο ιδιαίτερες ιδιότητες. Το υγρό λιπαντικό των γράσσων μπορεί να είναι ορυκτέλαιο ή συνθετικό λάδι. Η ποιότητα και η ρευστότητα του υγρού λιπαντικού επηρεάζει άμεσα τις λιπαντικές και μηχανικές ιδιότητες των γράσσων. Ο παχυντής δίνει στα γράσσα την υφή τους καθώς και άλλες ιδιότητες όπως αντοχή στο νερό, συνεκτικότητα κ.λπ. Για τη παραγωγή των γράσσων χρησιμοποιούνται δύο κατηγορίες παχυντών, οι οργανικοί και οι ανόργανοι. Οργανικοί παχυντές (Σάπωνες). Είναι οργανομεταλλικές ενώσεις που προκύπτουν από τη χημική αντίδραση λιπαρών οξέων (προερχομένων από φυτικά ή ζωικά λίπη) και μεταλλικής βάσης. Το ή τα μέταλλα που περιέχονται στους σάπωνες είναι καθοριστικά για τη συμπεριφορά του γράσσου, γι' αυτό και τα γράσσα χαρακτηρίζονται από τα μέταλλα του σάπωνα που χρησιμοποιείται σαν παχυντής (π.χ. γράσσα λιθίου, ασβεστίου, νατρίου κ.λπ). Αξίζει να σημειωθεί ότι το 99% των γράσσων που χρησιμοποιούνται σήμερα παρασκευάζονται από σάπωνες. Ανόργανοι παχυντές. Είναι ανόργανες ενώσεις αργιλικής (μπεντονίτες, μοντμοριλλονίτες) ή πυριτικής σύστασης (Silica Aerogel), οι οποίες χρησιμοποιούνται αποκλειστικά σε εφαρμογές που τα συμβατικά γράσσα δεν μπορούν να καλύψουν (π.χ.

2 6.2 πολύ υψηλές θερμοκρασίες). Έχουν μέτρια λιπαντική συμπεριφορά, πολύ υψηλό σημείο στάξης (θερμοκρασία διαχωρισμού τους από την υγρή φάση), σημαντικό κόστος και όταν καίγονται αφήνουν 6 12% τέφρα Χαρακτηριστικά των γράσσων Τα βασικά χαρακτηριστικά που πρέπει να έχουν τα γράσσα είναι τα ακόλουθα: Να εξασφαλίζουν τη λίπανση έτσι ώστε να προστατεύονται από τη φθορά οι τριβόμενες επιφάνειες. Να προστατεύουν τις τριβόμενες επιφάνειες από την επίδραση του εξωτερικού περιβάλλοντος (υγρασία, σκόνη κ.λπ). Να εμφανίζουν αντοχή στις θερμικές και στις μηχανικές καταπονήσεις (τοπικές υπερφορτίσεις, απότομες αλλαγές ταχύτητας κ.λπ). Να μην οξειδώνονται. Να εξασφαλίζουν τη στεγανοποίηση του συστήματος. Να διατηρούν για όσο το δυνατόν μεγαλύτερο χρονικό διάστημα τις αρχικές τους ιδιότητες. Να μην μεταβάλλονται τα βασικά τους χαρακτηριστικά με τη παρουσία περιορισμένων ποσοτήτων νερού. Να μεταφέρονται με πίεση σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς να μεταβάλλονται οι αρχικές τους ιδιότητες (κεντρικό σύστημα λίπανσης). Να διατηρούν τη συνεκτικότητά τους σχεδόν αμετάβλητη στις χαμηλές θερμοκρασίες. Σε ειδικές περιπτώσεις, τα γράσσα πρέπει να έχουν επιπλέον χαρακτηριστικά, όπως η αντοχή σε ακτινοβολία (πυρηνικοί σταθμοί), χαμηλή διαλυτότητα σε πετρελαιοειδή (αντλίες στις εγκαταστάσεις χημικών και πετρελαιοειδών) κ.λπ.

3 Πλεονεκτήματα των γράσσων Τα σπουδαιότερα πλεονεκτήματα των γράσσων σε σχέση με τα λάδια είναι τα παρακάτω: Τα συστήματα και οι συσκευές γρασσαρίσματος είναι πολύ απλούστερες και φθηνότερες. Παρέχουν πολύ καλή προστασία σε μηχανισμούς που λειτουργούν σε υγρασία και σκόνη (εκσκαπτικά και χωματουργικά μηχανήματα). Χρησιμοποιούνται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας, σε συστήματα που λειτουργούν μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς συντήρηση και σε περιπτώσεις που έχουμε σε συνδυασμό μικρής ταχύτητας και πολύ υψηλού φορτίου Μειονεκτήματα των γράσσων Τα σπουδαιότερα μειονεκτήματα των γράσσων σε σχέση με τα λάδια είναι τα ακόλουθα: Επειδή έχουν πολύ μικρή ικανότητα ροής παρουσιάζουν μειωμένη δυνατότητα απαγωγής της θερμότητας από το σύστημα. Για τον ίδιο ακριβώς λόγο αδυνατούν να απομακρύνουν τα ξένα σώματα που μολύνουν το σύστημα. Παρουσιάζουν αλλαγή της δομής τους (γίνονται μαλακότερα ή σκληρότερα) με το χρόνο Είδη γράσσων Τα γράσσα χαρακτηρίζονται από το μέταλλο του σάπωνα που χρησιμοποιείται σαν παχυντής. Τα κυριότερα είδη των γράσσων είναι τα ακόλουθα: Γράσσα ασβεστίου (Ca) Γράσσα λιθίου (Li) Γράσσα νατρίου (Na) Γράσσα βαρίου (Ba) Γράσσα αργιλίου (Al) Γράσσα σύμπλοκου σάπωνα

4 Εφαρμογές των γράσσων Τα γράσσα έχουν την ιδιότητα να συμπεριφέρονται σαν στερεά σώματα μέχρις ότου υποβληθούν σε διατμητικές τάσεις και στη συνέχεια να συμπεριφέρονται σαν ρευστά. Τότε το ιξώδες τους είναι παραπλήσιο με το ιξώδες του υγρού λιπαντικού (ορυκτελαίου ή συνθετικού λαδιού) από το οποίο έχουν σχηματιστεί. Σε γενικές γραμμές τα γράσσα χρησιμοποιούνται στις παρακάτω εφαρμογές: Σε υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας που αποκλείουν τη χρήση των ορυκτελαίων. Σε πολύ χαμηλές ταχύτητες σε συνδυασμό με υψηλά φορτία. Σε μηχανισμούς που λειτουργούν σε υγρασία και σκόνη (εκσκαπτικά και χωματουργικά μηχανήματα). Σε σημεία λίπανσης που είναι δύσκολα προσιτά, οπότε η συχνή αναλίπανση δημιουργεί προβλήματα. Όταν δεν είναι δυνατή η απόλυτη στεγανοποίηση του συστήματος, με αποτέλεσμα να έχομε παρουσία νερού ή σκόνης (ανοικτοί οδοντωτοί τροχοί, εξωτερικοί χώροι κ.λπ). Οι σπουδαιότερες εφαρμογές των γράσσων δίνονται στους Πίνακες 6.1. και 6.2.

5 6.5 Πίνακας 6.1. Εφαρμογές γράσσων με απλό ή διπλό σάπωνα και ενισχυμένων με ελαιοδιαλυτά πρόσθετα ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΕΙΔΟΣ ΠΑΧΥΝΤΗ Α Β Γ Δ Ε ΣΤ Ζ Η Ca Na Na/Ca Li Li/Ca Li/Na Al Ba Na/Pb Li/Pb Li/Al Μπετονίτης Σιλικόνη (2) (2) (2) (1) A: Έδρανα κύλισης (ρουλεμάν) Β: Έδρανα ολίσθησης (κουζινέτα) - Αρθρώσεις - Μηχανισμοί ακριβείας Γ: Πλαίσια αυτοκινήτων Δ: Οδοντωτοί τροχοί - Ημιπροστατευόμενες αλυσίδες - Αρθρώσεις - Συρματόσχοινα Ε: Ανοικτοί οδοντωτοί τροχοί - Γυμνές αλυσίδες - Συρματόσχοινα ΣΤ: Αργοί μη ακριβείς μηχανισμοί Ζ: Έλαστρα (1): με λάδι ιξώδους 400 cst στους 50 ο C Η: Σύνδεσμοι υψηλών θερμοκρασιών (2) εκτός από συρματόσχοινα Πίνακας 6.2. Εφαρμογές γράσσων ενισχυμένων με στερεά πρόσθετα ΕΙΔΟΣ ΠΑΧΥΝΤΗ ΣΤΕΡΕΑ ΠΡΟΣΘΕΤΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΕΙΔΟΣ [%] Α Β Γ Δ Ε ΣΤ Ζ Η Li,Ca,Na,Li/Ca MoS2 1,5 Li/Na Σιλικόνες MoS2 2 6 Ca,Na Γραφίτης 2 6 Ca Γραφίτης Ca Γραφίτης 50 Ba,Ca (1) Pb Ba,Ca (2) Cu 7 15 A,Β,Γ,Δ,Ε,ΣΤ,Ζ,Η: Όπως στον Πίνακα 6.1 (1): Γράσσα με πολύ καλή αντοχή στο θαλασσινό νερό (2): Γράσσα για ειδικές εφαρμογές (άξονες τρόλεϋ,, οδηγοί κ.λπ.)

6 Ιδιότητες των γράσσων Οι ιδιότητες των λιπαντικών λιπών κρίνονται με διάφορες εργαστηριακές δοκιμές που αναφέρονται στις εκδόσεις της ASTM ή άλλων οργανισμών (ΙΡ, AFNOR κ.λπ.). Είναι πρότυπες μέθοδοι ελέγχου των λιπαντικών λιπών, αποδεκτές διεθνώς και συχνά τροποποιούμενες. Οι σπουδαιότερες ιδιότητες των γράσσων είναι οι ακόλουθες: Η υφή, η οποία εξαρτάται από το μέγεθος των ινών του σάπωνα που έχει διασπαρεί μέσα στο λάδι. Η σταθερότητα της σύστασης, που είναι η ικανότητα του σάπωνα να συγκρατεί το λάδι ώστε να μην παρατηρείται διαχωρισμός του λαδιού κατά την αποθήκευση του λίπους. Η σταθερότητα σε οξειδωτικές συνθήκες. Η σταθερότητα σε μηχανικές καταπονήσεις. Η θερμική σταθερότητα σε στατικές και δυναμικές καταπονήσεις. Η συνεκτικότητα. 6.2 Συνεκτικότητα των γράσσων Συνεκτικότητα είναι η ικανότητα αντίστασης σε παραμόρφωση που εμφανίζει ένα πλαστικό υλικό, όταν εφαρμόζεται σε αυτό κάποια δύναμη. Στη περίπτωση των γράσσων είναι η ιδιότητα που μας επιτρέπει να χαρακτηρίσομε ένα γράσσο μαλακό ή σκληρό και είναι ανάλογη με το ιξώδες των λαδιών. Επειδή μεταβάλλεται κι αυτή με τη θερμοκρασία, θα πρέπει να αναφέρεται σε συγκεκριμένη θερμοκρασία που είναι συνήθως οι 25 o C (77 o F) Κατάταξη των γράσσων με βάση τη συνεκτικότητα Η κατάταξη των γράσσων με βάση τη συνεκτικότητα (Πίνακας 6.3) έγινε από το Εθνικό Ινστιτούτο Λιπαντικών Λιπών NLGI (National Lubricating Greases Institute).

7 6.7 O προσδιορισμός της συνεκτικότητας γίνεται με τη μέτρηση της διεισδυτικότητας σύμφωνα με τη μέθοδο ASTM D217. Το δείγμα του γράσσου τοποθετείται σε μία τυποποιημένη συσκευή (επεξεργαστής ή αναδευτήρας γράσσων - Σχήμα 6.3.) και εξαναγκάζεται σε 60 διελεύσεις από μία διάτρητη πλάκα με τη βοήθεια εμβόλου. Μετά τη κατεργασία τοποθετείται σε άλλη συσκευή (μετρητής διείσδυσης Σχήμα 6.1), στην οποία ένας κώνος αφήνεται να πέσει ελεύθερα και να βυθισθεί στο γράσσο επί πέντε δευτερόλεπτα. Τέλος μετριέται το βάθος, σε δέκατα του χιλιοστού, στο οποίο εισδύει ο κώνος μέσα στο δείγμα του γράσσου. Οι βαθμίδες διεισδυτικότητας των γράσσων που έχουν καθορισθεί από την NLGI δίνονται στον Πίνακα 6.3. Είναι ευνόητο ότι στα μαλακά γράσσα, όπου ο κώνος διεισδύει βαθύτερα, αναφέρονται μεγαλύτερες τιμές διεισδυτικότητας. Πίνακας 6.3 Κατάταξη γράσσων με βάση τη συνεκτικότητα κατά NLGI. KATΗΓΟΡΙΑ ΝLGI, ΣΥΝΕΚΤΙΚΟΤΗΤΑ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ ΚΩΝΟΥ ΣΕ ΔΕΚΑΤΑ ΤΟΥ ΧΙΛΙΟΣΤΟΥ (0,1 mm) ΕΠΙ 5s ΣΕ 25 o C 000 Πολύ ρευστό Ρευστό Ημίρευστο Πολύ μαλακό Μαλακό Ημίσκληρο Σκληρό Πολύ σκληρό Στερεό

8 Πειραματική διαδικασία Σκοπός της άσκησης είναι η μέτρηση του βάθους, σε δέκατα του χιλιοστού, κατά το οποίο ένας πρότυπος κώνος διεισδύει μέσα στο δείγμα του εξεταζόμενου γράσσου, υπό καθορισμένες συνθήκες βάρους, χρόνου και θερμοκρασίας και η εκτίμηση της διεισδυτικότητάς του. Η εκτίμηση αυτή, με βάση τα αποτελέσματα των μετρήσεων, γίνεται σε βαθμίδες διεισδυτικότητας κατά NLGI (Πίνακας 6.3). Κατεργασμένη διεισδυτικότητα είναι η διεισδυτικότητα ενός λίπους που έχει υποστεί μηχανική καταπόνηση Κατηγορίες μετρήσεων Καλύπτονται τέσσερις περιπτώσεις μετρήσεων διεισδύσεως: Ανεπεξέργαστου γράσσου: η διείσδυση σε 25 ο C δείγματος γράσσου το οποίο δεν έχει υποστεί ανάδευση από τον επεξεργαστή. Η μέτρηση σε αυτή την περίπτωση δε θεωρείται αντιπροσωπευτική της συνεκτικότητας του γράσσου εν χρήσει. Επεξεργασμένου γράσσου: το γράσσο υφίσταται την διατμητική δράση του επεξεργαστή, υποκείμενο σε 60 παλινδρομήσεις στους 25 ο C και ακολουθεί διείσδυση από τον κώνο χωρίς καθυστέρηση. Γράσσο παρατεταμένης επεξεργασίας: το γράσσο έχει υποστεί περισσότερες από 60 παλινδρομήσεις σε εύρος θερμοκρασιών από 15 ο C έως 30 ο C. Περαιτέρω, το σύστημα γράσσου-επεξεργαστή φέρεται στους 25 ο C, το γράσσο δέχεται 60 επιπρόσθετες παλινδρομήσεις και ακολουθεί διείσδυση χωρίς καθυστέρηση. Η μεταβολή στην αντίσταση σε διείσδυση που εμφανίζει ένα γράσσο μετά την παρατεταμένη επεξεργασία είναι δυνατόν να ληφθεί ως μέτρο της σταθερότητάς του στις αναπτυσσόμενες διατμητικές τάσεις υπό τις δεδομένες συνθήκες της μέτρησης.

9 6.9 Γράσσο σε στερεά κατάσταση: η διείσδυση σε 25 ο C δείγματος γράσσου, που είναι επαρκώς σκληρό ώστε να διατηρεί το σχήμα του. Για γράσσα αυτής της κατάστασης δεν προβλέπεται διαβάθμιση συνεκτικότητας. Πρέπει να τονισθεί εδώ ότι, και οι τέσσερις προαναφερθείσες περιπτώσεις χρησιμοποιούνται ευρύτατα για κατάρτιση προδιαγραφών, αν και δεν έχει ευρεθεί στενή συσχέτιση μεταξύ των πειραματικών ευρημάτων και της λειτουργίας των γράσσων στην πράξη. Πολλές φορές γράσσα σημαντικά διαφορετικής χημικής σύστασης και ιδιοτήτων παρουσιάζουν παρόμοιους βαθμούς διείσδυσης Όργανα και συσκευές Μετρητής διείσδυσης (πενετρόμετρο) Μια τυπική συσκευή μέτρησης διείσδυσης εικονίζεται στο Σχήμα 6.1. Η συναρμολόγηση του κώνου ή της τράπεζας του οργάνου είναι ρυθμιζόμενη ώστε να επιτρέπει ακριβή τοποθέτηση της κορυφής του κώνου στο επίπεδο της ελεύθερης επιφάνειας του γράσσου, διατηρώντας μηδενική ένδειξη του δείκτη του μετρητικού ωρολογίου. Όταν ο κώνος απελευθερωθεί, θα πέσει με αμελητέα τριβή πάνω στην επιφάνεια του γράσσου, διεισδύοντας στο εσωτερικό του, χωρίς να χτυπήσει στον πυθμένα του περιέκτη του. Επίσης το όργανο επιτρέπει ρυθμίσεις οριζοντιότητας και καθετότητας, ούτως ώστε ο άξονας του κώνου να διατηρείται κατακόρυφος. Η δοκιμασία της διείσδυσης εκτελείται σε θερμοκρασία 25 ο C με ελευθέρα πτώση του κώνου εντός του γράσσου για 5sec. Ο κώνος διείσδυσης (Σχήμα 6.2) αποτελείται από κωνικό σώμα, συνήθως κράμματος μαγνησίου, με στιλβωμένη εξωτερική επιφάνεια, στο οποίο προσαρμόζεται μια αποσπώμενη κεφαλή από βαμμένο χάλυβα. Το ολικό βάρος του κώνου είναι 102,5gr.

10 6.10 Σχήμα 6.1 Μετρητής διείσδυσης Σχήμα 6.2. Τυποποιημένες διαστάσεις κώνου Επεξεργαστής ή αναδευτήρας γράσσων Αποτελείται από μια χαλύβδινη ράβδο με χειρολαβή συνδεδεμένη με διάτρητη πλάκα μέσα σε κατάλληλο αεροστεγή περιέκτη από χυτοσίδηρο με οπή αερισμού και

11 6.11 οδηγούμενη σε κατακόρυφη παλινδρομική κίνηση με αποτέλεσμα την ανάδευση (ζύμωση) του γράσσου. Η συσκευή λειτουργεί χειροκίνητα ή αυτόματα, πρέπει να διατηρείται ρυθμός παλινδρομήσεων ανά λεπτό και η θερμοκρασία να παραμένει σταθερή και ίση προς 25 ο C. Σχήμα 6.3. Επεξεργαστής γράσσου Πειραματική διαδικασία Τα στάδια της πειραματικής διαδικασίας είναι τα ακόλουθα: α) Επεξεργασία γράσσου: Μεταφέρεται επαρκής ποσότητα (τουλάχιστον 0.4 kg) δείγματος του εξεταζόμενου γράσσου στο κυάθιο του αποσυναρμολογημένου επεξεργαστή. Η τοποθέτηση του γράσσου γίνεται με μια σπάτουλα και το κυάθιο αναδεύεται για να απομακρύνονται οι θύλακες παγιδευμένου αέρα στο εσωτερικό του δείγματος. Συναρμολογείται ο επεξεργαστής και πιέζεται η ράβδος προς τον πυθμένα, με ανοικτή την οπή αερισμού, και διαμέσου της οπής τοποθετείται θερμόμετρο, ούτως ώστε η ακμή του να βρίσκεται κοντά στο κέντρο του δείγματος. Ο επεξεργαστής φέρεται σε επαφή με λουτρό ύδατος ή αέρα που διατηρεί τη θερμοκρασία του όλου συστήματος

12 στους 25±0,5 ο C. Κατόπιν απομακρύνεται το λουτρό και το θερμόμετρο, κλείνει η οπή αερισμού και εκτελούνται οι παλινδρομήσεις β) Προετοιμασία του προς μέτρηση δείγματος: Το επεξεργασμένο πλέον δείγμα γράσσου προετοιμάζεται στο κυάθιο του μετρητή διείσδυσης έτσι ώστε να επιτευχθεί ομοιόμορφη κατανομή του γράσσου και με τη βοήθεια σπάτουλας καλύπτονται τόσο οι τρύπες της πλάκας του επεξεργαστή που έχουν αποτυπωθεί στο γράσσο όσο και αφαιρούνται εγκλείσματα αέρα. γ) Μέτρηση διείσδυσης: Ο μηχανισμός συγκράτησης του κώνου τίθεται στη θέση «μηδέν» και ρυθμίζεται προσεκτικά η συσκευή, ώστε η κορυφή του κώνου μόλις να εφάπτεται της επιφάνειας του δείγματος στο κέντρο. Η παρακολούθηση του ειδώλου της κορυφής μέσω του καθρέπτη, βοηθά στην ακριβή τοποθέτηση. δ) Επιπρόσθετες δοκιμές: Εκτελούνται αμέσως δυο επιπλέον συνεχόμενες δοκιμές με το ίδιο δείγμα και ο μέσος όρος, στρογγυλεμένος στο πλησιέστερο 0,1mm, αναφέρεται ως το αποτέλεσμα της διείσδυσης επεξεργασμένου γράσσου. ε) Γίνονται τρεις δοκιμές σε μια ποσότητα επεξεργασμένου γράσσου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (περίπου 25 ο C). στ) Επαναλαμβάνεται η διαδικασία για ένα άλλου τύπου γράσσο. Και εδώ γίνονται τρεις δοκιμές. ζ) Η κατεργασμένη διεισδυτικότητα που προκύπτει σύμφωνα με την παραπάνω διαδικασία, αντιστοιχίζεται σε βαθμίδες διεισδυτικότητας κατά NLGI (χαρακτηρισμός γράσσου, βλ. Πίνακα 6.3). Παρατήρηση: Επιβάλλεται να μεσολαβεί ο ελάχιστος δυνατός χρόνος μεταξύ των διαδικασιών (β), (γ) και (δ) διότι η αντίσταση σε διείσδυση των γράσσων μεταβάλλεται σημαντικά με το χρόνο, όταν αυτά ηρεμούν.