Kaikessa voitelussa on kysymys monien eri tarpeiden yhteen sovittamisesta. Kone- ja laitevalmistajat sekä käyttäjät joutuvat etsimään koneen kestävyyden ja sen toiminnan kannalta järkevimmän voiteluaineen markkinoilla olevista vaihtoehdoista. Luotettavaa toimintaa oikeilla voiteluaine valinnalla.
Siksi koneen valmistajan antamat suositukset voiteluaine valinnassa ovat tärkeitä ja niitä kannattaa noudattaa. Käyttöympäristöön soveltuvalla, oikealla voitelurasvalla saadaan lisää luotettavuttaa koneen toimintaan
Laakerin käyttölämpötila ei saa saavuttaa voitelurasvan alinta eikä ylintä käyttölämpötilarajaa. Korkein käyttölämpötila tulee jäädä 20 °C ylärajan alapuolelle ja alin käyttölämpötila jää 20 °C alarajan yläpuolelle.
Kun laakerin lämpötila ylittää +70 oC, jokaista +15 oC kohoamista kohti voiteluväli puolittuu, laakerien ulkorenkaalta mitatussa lämpötilassa.
Käyttöturvallisuustiedotteesta tulee viimeistään selvitä peruskomponentit, jos käyttäjän kannalta tärkeä tiedot ovat puutteelliset valitse toinen tuote. Tätä päivää on mahdollisimman suuri avoimuus, joka on laadukkaan tuotteen mittari.
Voitelurasva on kolmesta pääkomponentista, perusöljystä, saentimesta ja lisäaineista, muodostuva voiteluaine.
Rasvan voiteluominaisuudet ja kuormankantokyky ovat riippuvaisia perusöljyn paksuudesta ja saentimen käyttäytymisestä rajavoitelutilanteessa.
Voiteluaineiden saentimet
Saentimet muodostavat voitelurasvojen toisen perusrakenneosan. Saentimesta käytetään myös rinnakkaista nimitystä paksunnin.
Saentimen tulee olla öljyyn huonosti liukenevaa ja ominaisuuksiltaan sellaista, että se haittaa mahdollisimman vähän varsinaista voitelutehtävää. Voitelurasvassa myös saennin osallistuu voiteluun, myös saentimen osat voivat kantaa kuormaa ja erottaa pintoja toisistaan.
Voitelurasvalla voidaan toteuttaa kustannustehokkaalla voiteluaine valinnalla, käytännön tarpeita vastaavia paikallisia voitelujärjestelmiä. Tribologisessa mielessä voitelurasvat eivät tuo mukanaan etuja voiteluöljyihin nähden.
Voitelurasvojen voitelumekanismit ovat huonommin tunnettuja kuin öljyjen, osittain voitelurasvan jäykkyyden mukana tulevien reologisten eli virtausteknisten rajoituksien takia.
Rasvan väristä ei voi päätellä rasvan koostumusta, koska eri valmistajilla on omat seostukset ja käytäntönsä.
Rasvojen joillain saentimilla on myös taipumus heikentää perusöljyn omia korroosionesto-ominaisuuksia, mistä syystä näihin rasvoihin lisätään tarvittaessa korroosionesto inhibiittejä.
Kyseessä ei siis ole paksu öljy vaan erityisen saentimen kanssa kiinteään tai puolijuoksevaan muotoon saatettava kokonaisuus.
- Metallisaippuat, esim. litium (70 % kaikista valmistetuista), kalsium ja natrium.
- Edellisten metallien kompleksisaippuoita, joista yleisin on litiumkompleksi.
- Epäorgaanisia saentimia kuten esim. bentoniittisavi, silikageeli.
- Synteettisiä saentimia kuten esim. polyurea ja PTFE.
Voitelurasva = öljy (80–90 %) + saennin + lisäaineet
Lisäaineet
Rasvan ominaisuuksien parantamiseksi käytetään usein lisäaineita, jotka voivat olla rasvaan liuotettuja tai kiinteitä kiintovoiteluaineita, kuten grafiittia.
Näiden liukoisten aineiden lisäksi rasvoihin lisätään joskus myös kiinteitä voiteluaineita, kuten esimerkiksi molybdeenidisulfidia (MoS2) ja grafiittia.
Lisäaineet, joita lisätään rasvoihin, lähinnä voiteluaineen suorituskyvyn (voiteluominaisuudet, elinikä) parantamiseksi.
Kaikessa voitelussa on kysymys monien eri tarpeiden yhteen sovittamista.
Jotta voiteleva rasva toimisi ääriolosuhteissa, ei mineraalipohjaisen perusöljyn viskositeettiominaisuudet välttämättä riitä.
Silloin voiteluaineena voidaan käyttää esimerkiksi synteettistä silikoniöljyä, jossa viskositeetti pysyy lähes muuttumattomana. Suurempi ongelma on pumpattavuuden yhdistäminen rasvan muihin ominaisuuksiin.
Rasva ei saisi notkeudesta huolimatta syrjäytyä liian nopeasti voideltavasta kohteesta.
Saippuarasvojen saentimissa olevat metalliatomit voivat toimia joissain olosuhteissa katalyytteinä hapettumisreaktioissa.
Tästä syystä voitelurasvojen hapettuminen voi huonontaa rasvan varastointikestävyyttä ja lyhentää rasvan käyttöikää.
Perinteisten kalsiumsaippurasvojen koostumukseen luontaisesti kuuluva vesi aiheuttaa ongelmia kuumissa olosuhteissa. Mikäli tämä vesi poistuu liian korkean lämmön vaikutuksesta, menettää rasva tällöin kiinteytensä ja muuttuu vellimäiseksi puolijuoksevaksi nesteeksi.
Kalsiumsaippurasvat sopivat maansiirto- ja metsäkoneiden niveltappien voiteluun sekä ajoneuvokaluston alustan voitelukohteisiin, kiinnittyy hyvin metallipintoihin.
Sekä hitaasti pyörivien liuku- ja vierintälaakereiden voiteluun, mutta niitä ei pidä käyttää pyöränlaakerien tai muiden nopeasti pyörivien laakerien voiteluun.
Natriumsaippuarasvat olivat aikaisemmin suosittu rasvatyyppi, molekyylien välinen suuri koheesiovoima tekee siitä hyvän rasvan vierintälaakereihin.
Natriumsaippuarasvan käyttö on viime vuosikymmenien aikana vähentynyt sen voimakkaan vesiliukoisuuden sekä ominaisuuksien muuntelumahdollisuuksien vähäisyyden vuoksi. Se sopii kuitenkin hyvin suljettuihin laakerointeihin.
Tavallisesti monisaippuoisista rasvoista käytetään nimitystä kompleksirasva.
Näissä voiteluaineissa käytetyt saentimet ovat kalsium-, litium- tai alumiinikomplekseja, ja tämäntyyppisillä rasvoilla päästään n. 150–170 °C:n käyttölämpötiloihin.
Korkeat lämpötilat aiheuttavat öljyissä hapettumista ja krakkautumista. Hapettumista tapahtuu hapen läsnäollessa, reaktio on kiihtyvä.
Hapettumistuotteilla on lisäksi korroosiota edistävä vaikutus ja ne vaikuttavat haitallisesti tiivisteiden toimintakykyyn.
Krakkautumisreaktiossa molekyyliketjut pilkkoutuvat pienemmiksi aiheuttaen öljyn viskositeetin huononemisen
Litiumkompleksiperustainen rasva pystyy voitelemaan korkeissa lämpötiloissa ja myös silloin kun voitelukohteeseen kohdistuu tärinää tai iskumaisia kuormituksia. Sitä suositellaan ajoneuvokäytössä pyöränlaakereihin ja kardaanien voiteluun, voiteluaine valinnalla on merkitystä.
Rasvavoitelussa ”lämpötilaraja” ylittäminen lyhentää rasvan käyttöikää huomattavasti.
Litiumsaippuarasvoilla se on noin 70 °C, lämpöäkestävillä rasvoilla, joissa on mineraaliöljy ja lämpöä kestävä saostin, rasvatyypistä riippuen 80 – 110 °C.
Orgaanisen saentimen avulla voidaan päästä esimerkiksi äärimmäisen pitkään käyttöikään, vaikka perusöljynä olisi mineraaliöljy.
Orgaaniset saentimet ovat yleensä polyureakuituja tai hienojakoista PTFE polytetrafluorietyleeniä eli teflonia. Polytetrafluorieteenin itkakerroin pienempi kuin muiden polymeerien ja sen sähköiset eritysominaisuudet ovat hyvät.
PTFE saentimilla toteutetuilla rasvoilla on yleensä hyvät veden- ja lämmönkesto-ominaisuudet, jonka ansiosta rasvalle saavutetaan pitkä elinikä vaativissakin olosuhteissa.
Eräät kaupalliset PTFE-paksuntimella ja fluoriöljyllä toteutetut voitelurasvat sallivat jopa 250 °C:n käyttölämpötilan. PTFE-saentimella on alhainen vedenimeytyminen, mikä näkyy hyvänä ruostesuoja ominaisuutena.
Korkeissa lämpötiloissa parhaiten toimivat synteettiset öljyt, joilla on luonnostaan korkea viskositeetti-indeksi. Tällöin öljy muodostaa riittävän voitelukalvon myös korkeissa lämpötiloissa.
Korkean lämpötilan rasvoilla, joissa on synteettinen perusöljy, on korkeissa lämpötiloissa vähän höyrystymishäviöitä ja hyvä vanhenemisenkestokyky.
Rasvavoitelun järjestelmällinen seuranta
Vaihdetut laakerit tulisi aina tarkastaa järjestelmällisesti ja tehdä niistä huomioita voitelun toimivuudesta, tehdyllä voiteluaine valinnalla. Arvioinnin yhteydessä on otettava prosessiolosuhteet tarkasti huomioon.
Laakeri elinikä lyhenee sekä yli- että alivoitelun seurauksena.
Sopivalla voitelumäärällä taataan kaikkien kosketuspintojen oikea voitelu. Liiallinen voitelu voi olla yhtä vahingollista kuin riittämätön voitelu. Liika rasva voi johtaa nopeasti pyörivillä laakereilla ylikuumenemiseen tai kasvaneisiin käynnistys- ja käyntimomentteihin.
Laakeripesän täyttöasteeksi suositellaan 30–50 % pesän tilavuudesta, jotta siirtyvälle rasvalle ja rasvan lämpölaajenemiselle jää riittävästi tilaa. Näin ei ole vaaraa laakerin liiallisesta lämpenemisestä.
Rasvavoitelun kriittisimpiin kohteisiin kuuluvat vierintälaakerit, joissa esiintyy suuri pintapaine ja ohut voitelukalvo. Kuulalaakerit muodostavat paremman voitelukalvon rasvavoitelussa kuin rullalaakerit.
Kuulalaakereissa kuulien ja vierintäratojen välillä on elliptinen kosketus. Rullalaakereilla kosketuskuvio on viiva.
Vierintälaakereissa on osien välillä kimmoisesta muodonmuutostyöstä aiheutuvan vierintäkitkan lisäksi liukukitkaa.
Voitelurasvan työntäminen vierintäelinten edellä aiheuttaa kitkaa ja lämpötilan nousua.
Kitka ei riipu vain kuormituksesta vaan myös laakerin rakenteesta, voitelusta, kuormituksen suunnasta ja pyörimisnopeudesta.
Voitelukalvon yllä pysyminen riippuu kalvoa muodostavan rasvan määrästä.
Rasvan korvaantumiseen vaikuttavat rasva- ja laakerityyppi, käyntiolosuhteet ja käyntiaika.
Voitelurasvan määrä on huomioitava sekä asennuksessa että jälkivoitelussa. Laakerin pinnoissa tulee olla rasvaa ja laakeripesässä tilaa, johon laakerista puristuva liika rasva sopii.
Suurin osa kaikista maailman vierintälaakereista on rasvavoideltuja: joko kertavoideltuja, keskusvoideltuja tai jaksottaisesti uusintavoideltuja.
Uusintavoitelussa uusi voiteluaine syrjäyttää kulutetun rasvan sekä siihen kerääntyneen kosteuden, lian ja kulumisjätteen.
Voiteluaine keskusvoitelujärjestelmässä
Keskusvoitelussa keskeinen ongelma on rasvan koostumuksen muuttuminen ja öljyn erkaantuminen rasvasta voitelujärjestelmässä. Rasvan ominaisuuksista johtuen öljyn erkaantuminen alkaa jo varastossa.
Erkaantumista lisää keskusvoitelujärjestelmän paineen- ja lämpötilanvaihtelut sekä pitkät viipymät. Öljyn erkaantuminen ja siitä johtuva saippuoituminen tukkeuttaa voitelujärjestelmää ja laakereita.
Rasvan poistumista täytyy edesauttaa tiivistimin, poistoaukoin tai ajoittaisin laakeripesän tyhjennyksin. Puutteellinen voitelu lyhentää kuitenkin aina laakerin elinikää.
Keskusvoitelujärjestelmien käyttölämpötila-alue –20 °C … +70 °C.
On huomioitava, että rasva laakerissa, pesässä ja syöttöputkissa, pysyy riittävän kulkevana. Erittäin korkeissa lämpötiloissa voi näissä kohdissa esiintyä kiinnittymistä, joka estää myöhempää jälkivoitelua.
Rasvamäärät
Ensivoiteluun käytettävä rasvamäärä, laakerien ja laakeripesien vapaat tilat täytetään voitelurasvalla vain osaksi (25…50 %), sillä jos voitelurasvaa käytetään liian paljon, lämpötila kohoaa suurilla pyörimisnopeuksilla.
Ylitäyttö (70 – 90 %) voidaan sallia myös erittäin kuormitetuille hitaasti pyöriville laakereille, korroosiosuojaa vaativille laakereille tai voimakkaasti värähtelevässä kohteessa oleville laakereille.
Laakerivalmistajien valmistamiin laakeripesiin asennettujen laakerien ensimmäiseen voiteluun tarvittava voiteluaine määrä on ilmoitettu yleensä laakerivalmistajien taulukoissa, voiteluaine valinnalla ja säännöllisellä huollolla lisätään laakerien luotettavaa toimintaa.
Jälkivoitelu
Laakeri tulee jälkivoidella tai rasva vaihtaa, jos rasvan käyttöikä on lyhyempi kuin laakerin odotettavissa oleva elinikä.
Laakerin oikean rasvansaannin edellytyksiä ovat sopiva rasvamäärä, rasvan käyttöikään sovitetut jälkivoiteluvälit.
Rasvatäytössä voidaan käyttää säännöllistä jälkivoitelua, jolloin voitelukohteeseen tuodaan lisää rasvaa.
Sähkömoottoreiden laakereiden voiteluohjeet löytyvät usein moottoreihin kiinnitetyistä tyyppikilvestä sekä valmistajan manuaaleista. Tyyppikilvessä on rasvan määrä, voiteluväli sekä yleensä myös voiteluaine. Moottorit voivat olla asennettu siten, ettei tiedot ole nähtävissä.
Kuormitus ja käyttölämpötila voi vaatia paremman voiteluaineen kuin moottorin tyyppikilvessä on ilmoitettu.
Tärkeää on, että uusi rasva syrjäyttää vanhan rasvan niin että rasva vaihtuu, mutta ei synny ylivoitelua.
Jälkivoitelussa tarvittavan rasvamäärä SKF:n laskentakaavan mukaan;
m = 0,005 * D* B
- m on rasvamäärä grammoina,
- D on laakerin ulkohalkaisija millimetreinä ja
- B laakerin leveys millimetreinä
Työturvallisuus
On varottava voiteluaineen joutumista iholle ja silmiin. Voiteluaine on pestävä ennen taukoja ja välittömästi voiteluaineiden käsittelyn jälkeen. Käsittelyssä on käytettävä tarkoitukseen soveltuvia suojavarusteita.
