Miten kitkaa ja kulumista voidaan vielä vähentää?

Insinööri haluaisi suunnitella kitkattoman ja kulumattoman koneen. Todellisuudessa esteinä ovat käytössä olevat materiaalit, käyttöolosuhteet ja laitteilta vaadittavat tehokkuudet. Kitkaa ja kulumista voidaan alentaa uusilla pinnoitteilla ja voiteluaineilla. Tutkimusalaa, jossa tutkitaan kitkaa kulumista ja voiteluua, kutsutaan tribologiaksi. Tällä hetkellä tutkitaan erityisesti uusia nanomateriaaleja, lisäaineita sekä digitaalista materiaalimallinnusta.

Kitka ja kuluminen – iso kuluerä teollisuudelle

Harvemmin tulee mietittyä paljonko käytetystä energiasta kuluu kitkan voittamiseen ja paljonko energiaa voitaisiin säästää uusilla teknologisilla ratkaisuilla eri koneissa. Professori Kenneth Holmbergin tutkimuksissa1 havaittiin, että paperikoneissa merkittävä osa (32 %) energiasta kuluu kitkahäviöihin, joita syntyy muun muassa laakereissa, hammaspyörissä ja eristeissä. Paperikoneet eivät ole poikkeus vaan samat ongelmat ovat myös muissa koneissa, joissa on liikkuvia komponentteja. Kulumiskestävyydelle haastavimpia tilanteita ovat ns. rajavoitelutilanteet, jolloin voitelukalvo ohenee aiheuttaen pintojen välisiä kontakteja. Näistä kontakteista vauriot lähtevät herkemmin liikkeelle. Rajavoitelutilanteen ongelmia voidaan ratkoa erilaisilla tribologisilla ohutpinnoitteilla tai voiteluaineilla sekä uusilla paremmin kulumista kestävillä nanomateriaaleilla.

Kitkan alentaminen

No pystytäänkö kitkaa ja kulumista sitten alentamaan nykyisestä tasosta? Tällä hetkellä voisi karkeasti sanoa, että kitkakerroin öljyvoidellussa rajavoitelutilanteessa metalli-metallikontaktissa on 0.1. Kitkan ja kulumisen alentamiseksi esimerkiksi teollisissa prosesseissa ja koneissa on kehitetty pinnoitteita, pinnan teksturointitekniikoita ja uusia voiteluaineita sekä niiden lisäaineita. Tutkimusmaailmassa näitä kaikkia kehitetään jatkuvasti ja saavutetaan aina vain alhaisempia ja alhaisempia kitkan ja kulumisen arvoja. Laboratorio-olosuhteissa on saavutettu jo reilusti alle 0.01 kitkakertoimia, mutta laboratoriosta on pitkä matka kaupalliseksi tuotteeksi. Syynä on esimerkiksi se, että eri materiaalit käyttäytyvät hyvin eri tavalla eri olosuhteissa tai kuormitustilanteissa. On haasteellista löytää yhtä materiaalia, joka pystyisi täyttämään korkeat vaatimukset kaikissa olosuhteissa. Sen vuoksi joudutaan usein valitsemaan ns. keskitie kun valitaan alhaisen kitkan ja kulumiskestävyyden välillä. Toisaalta jotkut materiaalit kuten timantinkaltaiset hiilipinnoitteet (DLC) omaavat molemmat ominaisuudet, mutta niidenkin ominaisuudet riippuvat jossain määrin olosuhteista. Yleistäen voisi sanoa, että normaalilämpötilassa kitka- ja kulumisongelmat ovat suurimmaksi osaksi ratkaistuja ja haasteet ovat syntyneet korkeisiin ja mataliin lämpötiloihin sekä raskaasti kuormitettuihin kohteisiin.

Biovoitelu

Yksi mielenkiintoinen lähestymiskulma kitkan ja kulumisen alentamiseksi on ottaa oppia luonnosta. Luonnossa, kuten nisäkkäiden nivelissä, saavutetaan kitkakertoimia jotka ovat reilusti kertaluokkaa alhaisempia öljyvoideltuihin mekaanisiin kontakteihin verrattuna. Lisäksi kulumiskestävyyttäkin on useammaksi kymmeneksi vuodeksi, vaikka voitelu on vesipohjaista, toisin kuin insinöörisovelluksissa. VTT on tutkinut erilaisten bio- ja vesipohjaisten voiteluaineiden toimivuutta muun muassa metallimateriaalien voitelussa. Esimerkiksi sienissä syntyvillä proteiineilla pystytään alentamaan kitkaa vesivoidelluissa kontakteissa merkittävästi verrattuna öljyvoiteluun. Valmiita ratkaisuja biovoitelupuolella teollisuudelle ei vielä ole pystytty kehittämään. Tulevaisuus näyttää voidellaanko esimerkiksi jotain koneen osia tulevaisuudessa vedellä öljyn sijaan.

Materiaalimallinnuksella ratkaisuja kulumisongelmiin?

Kitka ei ole aina harmi vaan myös osien kuluminen vaikuttaa tehtaiden ja koneiden tuottavuuteen. Kuluvat osat aiheuttavat esimerkiksi tehtaiden seisokkeja, kun koneenosia joudutaan vaihtamaan. Materiaalin kuluminen on usein erittäin monimutkainen prosessi, johon vaikuttavat monet tekijät. Usein kulumiseen vaikuttaa kuormituksen ja olosuhteiden lisäksi materiaalin mikrorakenne. Materiaalimallinnukseen VTT on kehittänyt VTT Propertune® menetelmän, joka mahdollistaa materiaalin kulumisen tutkimisen tietokonemallinnuksen ja simuloinnin avulla. Menetelmä perustuu materiaalin mikrorakenteen ja sen käyttäytymisen ymmärtämiseen erilaisissa kuormitustilanteissa. Mallinnuksen avulla pystytään tutkimaan uuden materiaalin soveltuvuutta koneenosiin ennen osan valmistamista ja laajamittaista testausta. Lisäksi mallintamisen avulla pystytään ymmärtämään mistä vauriot johtuvat ja millaisilla materiaaliratkaisuilla ne pystyttäisiin välttämään. Mallinnusta pystytään soveltamaan erilaisille materiaaleille kuten metalleille, komposiiteille, muoveille ja pinnoitteille.

VTT on aktiivinen kitka- ja kulumistutkimuksessa

VTT:llä on lähes neljänkymmenen vuoden kokemus tribologian tutkimuksessa ja uusia tutkimustuloksia julkaistaan jatkuvasti tieteellisissä lehdissä ja konferensseissa. Tänä vuonna VTT järjestää yhdessä Suomen Tribologiayhdistyksen kanssa kesäkuussa Nordtrib-konferenssin. Nordtrib on pohjoismaalainen tribologia (kitka, kuluminen, voitelu) – alan konferenssi, joka kokoaa yhteen lähes parisataa tutkijaa ja teollisuuden edustajaa joka toinen vuosi johonkin Pohjoismaahan. Tänä vuonna konferenssin aihealueisiin kuuluvat kitka, kuluminen ja voitelu muun muassa teollisuus-, avomeri- sekä lääketieteellisissä sovelluksissa. Aihealueet sisältävät sekä uusien materiaalien kehitystä, että kitkaan ja kulumiseen vaikuttavien ilmiöiden ymmärtämistä perinteisten tutkimusmenetelmien ja mallintamisen avulla.

Kuva_Timo HakalaTimo Hakala

Tutkija

 

 

 

 

 

 

1) Kenneth Holmberg, Roope Siilasto, Tarja Laitinen, Peter Andersson, Ari Jäsberg, Global energy consumption due to friction in paper machines, Tribology International, Volume 62, June 2013, Pages 58-77

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s