Τα συστήματα λίπανσης παίζουν καθοριστικό ρόλο ως προς την ορθή λειτουργία των μηχανημάτων και του εξοπλισμού. Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι λιπαντικών, και θα πρέπει πάντοτε να λαμβάνονται υπόψη οι συστάσεις του κατασκευαστή για την αποτελεσματικότερη απόδοσή τους.
Tου κ. Αθανάσιου Χασαλεύρη*
Η λίπανση είναι μια κρίσιμη πτυχή για τη διατήρηση της σωστής λειτουργίας και μακροζωίας των μηχανημάτων και του εξοπλισμού. Περιλαμβάνει την εφαρμογή ενός λιπαντικού, συνήθως ενός ρευστού ή στερεού υλικού, για τη μείωση της τριβής και της φθοράς μεταξύ των κινούμενων μερών.
Η δημιουργία των κατάλληλων συνθηκών λίπανσης μεταξύ των κινουμένων μερών, καθώς και η επιλογή του κατάλληλου λιπαντικού, αφορά ένα σημαντικό υποσύνολο του μηχανολογικού σχεδιασμού. Η λίπανση προσδίδει στη μηχανολογική κατασκευή τοπικές ιδιότητες (όπως π.χ. στιβαρότητα, απόσβεση, θερμοκρασία), οι οποίες επηρεάζουν τη συνολική απόδοση της μηχανής ή της μηχανολογικής διάταξης.
Σκοπός του άρθρου είναι να γίνουν κατανοητοί οι λόγοι για τους οποίους η λίπανση και το λιπαντικό καθορίζουν τη λειτουργικότητα και την ακεραιότητα των μηχανών, και ως εκ τούτου είναι στοιχεία έμμεσα συνδεδεμένα (καθώς η τριβή είναι παντού) με σημαντικές απώλειες ενέργειας και με οικονομικούς δείκτες.
Η λίπανση εξυπηρετεί πολλούς σημαντικούς σκοπούς. Ελαχιστοποιεί την άμεση επαφή μετάλλου με μέταλλο, μειώνοντας την τριβή και αποτρέποντας την υπερβολική φθορά, τη δημιουργία θερμότητας και τη ζημιά στα εξαρτήματα. Επίσης βοηθάει στη διάχυση της θερμότητας και στην απομάκρυνση των ρύπων, διασφαλίζοντας καθαρή και αποτελεσματική λειτουργία.
Υπάρχουν κάποιοι βασικοί τύποι μεθόδων λίπανσης που χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές, οι οποίοι παρουσιάζονται παρακάτω.
Υδροδυναμική λίπανση
Κατά την υδροδυναμική λίπανση (Hydro-Dynamic-Lubrication [HDL]) δημιουργείται ένα λεπτό ρευστό φιλμ λιπαντικού ελαίου ανάμεσα στις συνεργαζόμενες (τριβόμενες) επιφάνειες, το οποίο εμποδίζει την άμεση επαφή τους και μειώνει την τριβή. Το λιπαντικό αναρροφάται παθητικά στο κενό μεταξύ των επιφανειών λόγω της διαφοράς πίεσης, σχηματίζοντας ένα λεπτό λιπαντικό φιλμ (βλέπε εικόνα 1). Χαρακτηριστικές εφαρμογές υδροδυναμικής λίπανσης αποτελούν οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, οι στροβιλομηχανές παραγωγής ισχύος, οι στροβιλοαντλίες, οι υπερπληρωτές (turbo), οι άξονες μετάδοσης ισχύος σε πλοία κ.ά.
Αναπαράσταση υδροδυναμικής λίπανσης σε έδρανο ολίσθησης.
Υδροστατική λίπανση
Η υδροστατική λίπανση (Hydro-Static Lubrication) χρησιμοποιεί μια εξωτερική πηγή, όπως μια αντλία, για την παροχή λιπαντικού υπό πίεση, δημιουργώντας ένα ρευστό φιλμ μεταξύ των επιφανειών. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται συνήθως σε εφαρμογές υψηλού φορτίου ή όπου η ταχύτητα και το φορτίο αλλάζουν συνεχώς.
Ελαστοϋδροδυναμική λίπανση
Κάτω από υψηλές πιέσεις μπορεί να συμβεί και τοπική παραμόρφωση των συνεργαζόμενων επιφανειών, με αποτέλεσμα το λιπαντικό να συμπεριφέρεται σαν ελαστικό στερεό και όχι ως ρευστό (λόγω της τοπικής αύξησης του ιξώδους). Για το λόγο αυτό, σε εφαρμογές με υψηλά φορτία χρησιμοποιείται ελαστοϋδροδυναμική λίπανση (Elasto-Hydrodynamic-Lubrication [EHL]) σε στοιχεία κύλισης και δόντια γραναζιών.
Οριακή και μεικτή λίπανση
Όταν δεν μπορεί να σχηματιστεί μια λεπτή λιπαντική μεμβράνη λιπαντικού ανάμεσα στις τριβόμενες επιφάνειες, οι επιφάνειες έχουν άμεση επαφή μετάλλου με μέταλλο. Τα λιπαντικά σε αυτή τη λειτουργία παρέχουν ένα προστατευτικό στρώμα προσκολλώντας στις επιφάνειες, μειώνοντας τη φθορά και την τριβή. Δεν είναι κατ’ ανάγκη αρνητική, αρκεί να έχει προβλεφθεί από την κατασκευαστή. Οριακή λίπανση συμβαίνει ανάμεσα στα τοιχώματα των κυλίνδρων και στους δακτυλίους του εμβόλου ενός κινητήρα αυτοκινήτου. Η μεμβράνη λιπαντικού ελαίου σε αυτή την περιοχή μπορεί να είναι λεπτή ή ανεπαρκής για τον πλήρη διαχωρισμό των μεταλλικών επιφανειών, με αποτέλεσμα την άμεση επαφή μετάλλου με μέταλλο σε ορισμένες συνθήκες λειτουργίας. Τα πρόσθετα οριακής λίπανσης χρησιμοποιούνται στο λιπαντικό για να σχηματίσουν ένα προστατευτικό στρώμα στα τοιχώματα του κυλίνδρου και στους δακτυλίους του εμβόλου, μειώνοντας την τριβή και τη φθορά.
Στερεά λίπανση
Περιλαμβάνει τη χρήση στερεών υλικών, όπως είναι γραφίτης, δισουλφίδιο του μολυβδαινίου ή PTFE, ως λιπαντικό μέσο. Αυτά τα υλικά έχουν χαμηλή αντοχή στη διάτμηση και μπορούν να μειώσουν την τριβή και τη φθορά παρέχοντας μια προστατευτική επίστρωση ή μειώνοντας την πρόσφυση της επιφάνειας. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν οι ηλεκτρικοί κινητήρες, όπου τα έδρανα στήριξης του άξονα καλύπτονται από στερεά λιπαντικά.
Ο συντελεστής τριβής, και επομένως και οι απώλειες ισχύος λόγω τριβής, ακολουθούν ανάμεσα στις διάφορες καταστάσεις λίπανσης μία τυπική διαβάθμιση που αποτυπώνεται με την καμπύλη Stribeck (βλ. εικόνα 3). Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι η χαμηλότερη τιμή του συντελεστή τριβής προαπαιτεί τη δημιουργία ενός λεπτού φιλμ λιπαντικού, χωρίς ωστόσο αυτό να είναι αρκετά παχύ. Ο λόγος είναι ότι ένα αρκετά παχύ στρώμα λιπαντικού ωθεί μεγαλύτερο όγκο λιπαντικού σε ροή και οι αδρανειακές δυνάμεις του λιπαντικού γίνονται μεγαλύτερες, απαιτώντας μεγαλύτερο ποσό ενέργειας για την κίνησή του. Μία ενδεικτική τιμή για το βέλτιστο πάχος λιπαντικού είναι 40-60% της ακτινικής χάρης μεταξύ ρότορα και στάτορα, η οποία ενδεικτικά είναι περίπου 1000 φορές μικρότερη από την ακτίνα του στροφέα.
Καμπύλη stribeck.
Η επιλογή της μεθόδου λίπανσης είναι αποκλειστικό θέμα του κατασκευαστή, ο οποίος πρέπει να επιβεβαιώσει με το σχεδιασμό του ότι η συνθήκη λίπανσης θα λαμβάνει χώρα στις αναμενόμενες συνθήκες λειτουργίας.
Απαραίτητο μέσο σε κάθε μέθοδο λίπανσης αποτελεί το λιπαντικό. Τα λιπαντικά μηχανών είναι χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται για να μειώσουν την τριβή και τη φθορά μεταξύ των επιφανειών που κινούνται μεταξύ τους σε μηχανές και μηχανικά συστήματα. Έχουν σημαντικό ρόλο στη διατήρηση και αύξηση της απόδοσης και διάρκειας ζωής των μηχανών.
Η εκάστοτε μέθοδος λίπανσης υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη τις ιδιότητες των λιπαντικών. Σε ειδικές εφαρμογές, δεν αποκλείεται η ταυτόχρονη ανάγκη για εξέλιξη κάποιου λιπαντικού. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί ο σχεδιασμός του συστήματος συνεχόμενης μεταβαλλόμενης μετάδοσης (Continuous Variable Transmission [CVT]) της Nissan, όπου ο σχεδιασμός της διάταξης κατέληξε στη δημιουργία ενός ειδικού λιπαντικού λόγω της ανάγκης αυτού να παραλαμβάνει πολύ υψηλή πίεση.
Τα λιπαντικά βρίσκουν ευρείες εφαρμογές σε όλους τους κατασκευαστικούς και παραγωγικούς κλάδους. Όσον αφορά την αυτοκίνηση, χρησιμοποιούνται σε κινητήρες, κιβώτια ταχυτήτων, διαφορικά και ρουλεμάν τροχών. Τα βιομηχανικά μηχανήματα βασίζονται σε λιπαντικά για τη σωστή λειτουργία των γραναζιών, των ρουλεμάν, των υδραυλικών συστημάτων και των συμπιεστών. Επιπλέον, τα λιπαντικά είναι απαραίτητα στην αεροδιαστημική, τη ναυτιλία, την εξόρυξη και τον κατασκευαστικό εξοπλισμό.
Παρακάτω παραθέτονται οι πιο συνηθισμένοι τύποι λιπαντικών.
Αναπαράσταση ελαστοϋδροδυναμικής λίπανσης σε ρουλεμάν. Λεπτομέρεια στις παραμορφωμένες επιφάνειες.
Λιπαντικά με βάση το πετρέλαιο
Τα λιπαντικά αυτά είναι γνωστά ως ορυκτέλαια, και προέρχονται από αργό πετρέλαιο. Περιλαμβάνουν λάδια κινητήρα, υδραυλικά υγρά, λιπαντικά μετάδοσης κίνησης και λιπαντικά στροβιλομηχανών. Χρησιμοποιούνται ευρέως στην αυτοκινητοβιομηχανία και τις βιομηχανικές εφαρμογές.
Υποσύνολο των λιπαντικών με βάση το πετρέλαιο αποτελούν τα συνθετικά λιπαντικά, τα οποία παράγονται μέσω χημικής σύνθεσης. Προσφέρουν ανώτερη απόδοση και σταθερότητα κάτω από ακραίες θερμοκρασίες και πιέσεις. Παραδείγματα εφαρμογών περιλαμβάνουν συνθετικά λιπαντικά κινητήρων, λιπαντικά συμπιεστών και γράσα υψηλής θερμοκρασίας.
Εκτός από το αργό πετρέλαιο, τα συνθετικά έλαια μπορούν επίσης να προέρχονται από άλλες πηγές όπως είναι το φυσικό αέριο ή ο άνθρακας. Τα βασικά αποθέματα στη συνέχεια τροποποιούνται και συντίθενται χρησιμοποιώντας χημικές αντιδράσεις για να επιτευχθούν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά μοριακής δομής και απόδοσης.
Αυτή η διαδικασία επιτρέπει στους κατασκευαστές να προσαρμόσουν τις ιδιότητες των συνθετικών ελαίων, όπως το ιξώδες, τη σταθερότητα και την αντίσταση στη θερμοκρασία, ώστε να ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις διαφορετικών εφαρμογών.
Γράσα
Τα γράσα είναι λιπαντικά που αποτελούνται από ένα βασικό λάδι παχυνόμενο με σαπωνοειδείς ουσίες ή άλλο πηκτικό. Έχουν ημιστερεή συνοχή και είναι ιδανικά για εφαρμογές όπου απαιτείται πιο παχύρρευστο λιπαντικό, όπως σε ρουλεμάν, γρανάζια και εξοπλισμό βαρέος τύπου.
Λιπαντικά βιολογικής βάσης
Αυτά τα λιπαντικά προέρχονται από ανανεώσιμες πηγές, όπως είναι τα φυτικά έλαια. Είναι φιλικά προς το περιβάλλον και χρησιμοποιούνται συχνά σε εφαρμογές όπου υπάρχουν ανησυχίες για πιθανή μόλυνση, ή για την ικανοποίηση συγκεκριμένων κανονιστικών απαιτήσεων. Έχουν επίσης εξειδικευμένες εφαρμογές σε επεξεργασία τροφίμων, φαρμακευτικά προϊόντα και ιατρικές συσκευές.
Στερεά λιπαντικά
Τα στερεά λιπαντικά, όπως είναι ο γραφίτης και το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου, διατίθενται με τη μορφή σκόνης, πάστας ή επικαλύψεων. Παρέχουν λίπανση σε ακραίες συνθήκες ή όπου η παραδοσιακή λίπανση με υγρό ή γράσο δεν είναι κατάλληλη, όπως υψηλές θερμοκρασίες, περιβάλλοντα κενού ή σε ορισμένα μηχανικά εξαρτήματα. Η μηχανική τους απόδοση βρίσκεται στο γεγονός ότι είναι ικανά να έχουν πολύ διαφορετικές ιδιότητες σε δύο διευθύνσεις καταπόνησης.
Στην μία διεύθυνση σχηματίζουν πολύ ισχυρούς δεσμούς και προσκολλιούνται στα κινούμενα και στα στατικά μέρη (π.χ. σε ρότορα και σε στάτορα), ενώ στην άλλη διεύθυνση ο δεσμός των μορίων είναι πολύ χαλαρός επιτρέποντας την σχετική ολίσθηση των εξαρτημάτων.
Μέθοδος (καθεστώς) λίπανσης.
Λιπαντικά υψηλής απόδοσης
Αυτά τα λιπαντικά είναι ειδικά σχεδιασμένα για να καλύπτουν τις απαιτήσεις συγκεκριμένων εφαρμογών. Παραδείγματα περιλαμβάνουν λιπαντικά υψηλής θερμοκρασίας, λιπαντικά ακραίας πίεσης (EP), ανθεκτικά στη φωτιά υδραυλικά υγρά, και λιπαντικά χαμηλής θερμοκρασίας
Είναι σημαντικό να επιλεχθεί ο κατάλληλος τύπος λιπαντικού με βάση παράγοντες όπως είναι οι συνθήκες λειτουργίας, οι προδιαγραφές εξοπλισμού και οι βιομηχανικοί κανονισμοί για να διασφαλιστεί η βέλτιστη απόδοση και η μακροζωία του εξοπλισμού. Είναι επίσης σημαντικό το λιπαντικό να αντικαθίσταται στο χρονικό διάστημα που επιβάλλει ο κατασκευαστής της μηχανής ή της μηχανολογικής διάταξης. Τα λιπαντικά μπορούν να ανταποκρίνονται στο ρόλο τους, δηλαδή να διατηρούν τις μηχανικές τους ιδιότητες μόνο για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα.
Προκειμένου να περιγραφεί η εφαρμογή των λιπαντικών στα ποικίλα μηχανολογικά συστήματα, είναι χρήσιμο να γίνει ο διαχωρισμός των λιπαντικών ελαίων σε μονότυπα (monotype ή monograde) και πολύτυπα (polytype ή multigrade), με βάση τη μοριακή δομή τους. Τα μονότυπα λάδια είναι λιπαντικά που έχουν ενιαίο βαθμό ιξώδους. Διαθέτουν σχετικά σταθερό ιξώδες σε ένα μικρό φάσμα θερμοκρασιών, και χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές όπου η θερμοκρασία λειτουργίας παραμένει σχετικά σταθερή ή όταν ο εξοπλισμός απαιτεί συγκεκριμένο εύρος ιξώδους.
Ως εκ τούτου, δεν εφαρμόζονται σε μηχανές και διατάξεις που βιώνουν hot-cold conditions (π.χ. κινητήρες αυτοκινήτου). Το ιξώδες τους μεταβάλλεται σχεδόν γραμμικά με τη θερμοκρασία, και αυτό είναι αποτέλεσμα της σύστασής τους που αποτελείται από έναν (για αυτό και η σχετική ονομασία τους) τύπο υδρογονάνθρακα βάσης.
Μοριακή δομή γραφίτη. Διαφορετικοί δεσμοί σε δύο διευθύνσεις.
Τα μονότυπα λάδια βρίσκουν ὲφαρμογές σε βιομηχανικά μηχανήματα, όπως είναι αντλίες, συμπιεστές, υδραυλικά συστήματα, ακόμη και κιβώτια ταχυτήτων. Το σύστημα ταξινόμησης ιξώδους ISO (Διεθνής Οργανισμός Τυποποίησης) χρησιμοποιείται συνήθως σε βιομηχανικές εφαρμογές όπως είναι τα ISO VG 32, ISO VG 68 ή ISO VG 150, όπου οι αριθμοί αντιπροσωπεύουν το κινηματικό ιξώδες σε centistokes (cSt) στους 40°C (VG: viscosity grade).
Τα πολύτυπα λάδια έχουν στη βάση της χημικής τους σύστασης δύο ή και περισσότερους (για αυτό και η σχετική ονομασία τους) υδρογονάνθρακες, εκ των οποίων κάποιοι είναι «λεπτόρευστοι», και κάποιοι «παχύρευστοι». Οι πρώτοι ενεργοποιούνται σε «cold conditions», ενώ οι δεύτεροι ενεργοποιούνται σε «hot conditions».
Με αυτό τον τρόπο το ιξώδες διατηρείται σε σχετικά μικρή διακύμανση για μεγάλο εύρος θερμοκρασίας. Χαρακτηριστική εφαρμογή αποτελεί η αυτοκίνηση, όπου ο ίδιος κινητήρας πρέπει να ξεκινά είτε στους -20οC είτε στους +40oC ανάλογα με τη γεωγραφία, και να αποκτά θερμοκρασία λειτουργίας (θερμοκρασία λαδιού) κοντά στους 150οC.
Τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα πολύτυπα λιπαντικά προσδιορίζονται από την αξιολόγηση ιξώδους SAE (Society of Automotive Engineers), όπως SAE 10W-30 ή SAE 5W-40. Ο αριθμός πριν από το “W” δείχνει το ιξώδες χαμηλής θερμοκρασίας (το W σημαίνει χειμώνας – Winter), ενώ ο αριθμός μετά το “W” αντιπροσωπεύει το ιξώδες σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
Η χρήση τροποποιητών ιξώδους (viscosity index improvers – VIIs) επιτρέπει σε αυτά τα λιπαντικά να προσφέρουν βελτιωμένα χαρακτηριστικά ροής σε χαμηλές θερμοκρασίες, διατηρώντας παράλληλα επαρκές ιξώδες σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
Ειδικότερα, τα λιπαντικά κιβωτίων ταχυτήτων (για αυξητήρες – μειωτήρες στροφών) μπορεί να είναι είτε μονότυπα είτε πολύτυπα, και έχουν το δικό τους σύστημα ταξινόμησης ιξώδους με βάση τα πρότυπα AGMA (American Gear Manufacturers Association). Η βαθμολογία AGMA περιλαμβάνει διάφορους βαθμούς ιξώδους, όπως AGMA 1, AGMA 2, AGMA 3 κλπ., με υψηλότερους αριθμούς που υποδεικνύουν υψηλότερο ιξώδες. Τα λιπαντικά μετάδοσης με διαφορετικούς βαθμούς ιξώδους επιλέγονται με βάση τον τύπο του κιβωτίου ταχυτήτων, το φορτίο, την ταχύτητα και τις συνθήκες λειτουργίας.
Συστάσεις κατασκευαστών
Σε κάθε εφαρμογή, είναι απαραίτητο να λαμβάνονται υπόψη οι συστάσεις του κατασκευαστή και οι ειδικές συνθήκες λειτουργίας και απαιτήσεις του μηχανήματος κατά την επιλογή του κατάλληλου βαθμού ιξώδους λιπαντικού λαδιού. Η τήρηση του συνιστώμενου βαθμού ιξώδους συμβάλλει στη βελτιστοποίηση της απόδοσης, στην προστασία του εξοπλισμού, στην παράταση της διάρκειας ζωής του, ή ακόμη και στην αποφυγή ατυχημάτων.
*Ο κ. Αθανάσιος Χασαλεύρης, PhD είναι επίκουρος καθηγητής Ανάλυσης και Σχεδιασμού Μηχανολογικών Κατασκευών στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.
