1. Wprowadzenie
W dzisiejszym świecie zdominowanym przez zaawansowany rozwój technologii, w którym jednocześnie kluczową rolę odgrywa rachunek ekonomiczny, istotna wydaje się być optymalizacja aspektów technicznych i ekonomicznych. Czas procesu produkcji, wydajność i bezawaryjność urządzeń oraz ich trwałość to czynniki, które uwzględniają prawa fizyki, chemii oraz mechaniki, natomiast koszty produkcji i eksploatacji to czynniki narzucane także przez rynek. Kompromisem wydaje się poszukiwanie i zastosowanie rozwiązań, które pomogą uzyskiwać coraz lepsze wyniki techniczne przy jednoczesnym uwzględnieniu rachunku ekonomicznego. W artykule zaprezentowano podstawy smarowania elementów maszyn oraz stosowane w tym procesie rozwiązania techniczne. Przedstawiono również możliwości zastosowania różnych systemów smarowania w offsetowych maszynach drukujących. Jednocześnie wykazano możliwości aplikacji rozwiązań technicznych poprawiających ekonomikę produkcji.
2. Podstawy procesu smarowania elementów maszyn
Zjawisko tarcia towarzyszy wszystkim wzajemnym przemieszczaniom się elementów maszyn. Jest ono powszechne i rozpoznane na obecnym poziomie wiedzy fizyczno-chemiczno-mechanicznej. Proces tarcia zależy od zjawisk zachodzących na powierzchniach stykających się części maszyn oraz od:
- parametrów technologicznych, czyli dokładności wykonania i odpowiedniego utwardzenia powierzchni;
- jakości użytych materiałów stopowych;
- właściwego smarowania, czyli użytego czynnika smarującego oraz sposobu jego rozprowadzenia.
Maszyny drukujące są przykładem urządzeń, w których skład wchodzi wiele podzespołów mechanicznych, zatem zmagania się z siłami tarcia (oporami) w czasie pracy odgrywają podstawową rolę w ich pracy oraz trwałości. Istnieje w tych maszynach wiele obszarów styku dwóch elementów, gdzie występują siły tarcia. Na fot. 1 obrazowo pokazano styk dwóch zębów kół zębatych maszyny drukującej. Gdy maszyna nie pracuje i brak jest smarowania, punkty styku elementów występują w nielicznych miejscach i zależą od chropowatości oraz równoległości ich powierzchni. W momencie przyłożenia obciążenia (podczas eksploatacji) powierzchnia rzeczywistego styku rośnie (wzrastają siły tarcia), co wynika nie tylko z odkształceń sprężystych, lecz również plastycznych nierówności. Podstawowym sposobem obniżania oporów tarcia jest wprowadzanie pomiędzy elementy trące trzeciego ciała tak, aby tarcie nie zachodziło pomiędzy elementami maszyn, lecz pomiędzy warstwami tego dodatkowego czynnika o znacznie mniejszych oporach. Czynnikami obniżającymi opory tarcia są różne substancje smarne. W celu zmniejszenia zużycia elementów współpracujących istotne jest stworzenie warunków, w których będzie występować tarcie płynne, czyli sytuacja oddzielenia elementów maszyny czynnikiem smarnym, jak pokazano schematycznie na fot. 1. Wyzwaniem dla konstruktorów jest zatem skonstruowanie węzłów trących maszyny tak, aby w eksploatacji powstało tarcie płynne. Podstawą tego jest zarówno zastosowanie odpowiedniego środka smarującego, jak i dobranie wydajnego, odpowiedniego systemu smarowania. Istotne jest właściwe rozprowadzanie środka smarującego w maszynie: smaru plastycznego (zwanego popularnie towotem) bądź oleju, ażeby doprowadzenie go do miejsc smarowania niwelowało negatywne działanie sił tarcia, którym jest zużycie, czyli ubytki warstw wierzchnich elementów smarowanych.
Najczęściej stosowanymi substancjami używanymi do smarowania elementów maszyn są oleje. Stosowane są powszechnie, szczególnie tam, gdzie występują zamknięte układy smarowania (recyrkulacja czynnika smarującego). Natomiast w rozwiązaniach konstrukcyjnych, gdzie są trudności z dobrym uszczelnieniem, stosuje się smary plastyczne.
Oleje. Podstawowymi charakterystycznymi własnościami olejów, oprócz lepkości i wskaźnika lepkości, które decydują o powstawaniu filmu smarnego, są:
- Smarność – jest to zdolność do wytwarzania specjalnych chwilowych powłok na elementach zabezpieczających je przed zgrzaniem w wyniku nagłego wzrostu nacisków w obszarze ich styku i równoczesnego spadku prędkości przemieszczenia, co powoduje wzrost temperatury. Własność ta jest wyznaczana na tribotesterze czterokulowym i określana siłą zatarcia w newtonach (N). Dobrą smarność posiadają oleje zawierające specjalne dodatki typu EP (na naciski ekstremalne).
- Temperatura krzepnięcia – jest to temperatura, przy której olej ze stanu ciekłego przechodzi w stan plastyczny.
- Temperatura zapłonu – przy tej temperaturze może dochodzić do zapłonu wydzielających się z oleju gazów po zetknięciu z ogniem.
- Pozostałość po spopieleniu – określa ilość masy pozostałej po całkowitym spaleniu oleju.
Smary plastyczne. Podstawowymi własnościami fizykochemicznymi i tribologicznymi smarów plastycznych są:
- Penetracja określająca własności reologiczne smaru – odpowiednik lepkości dla olejów.
- Smarność – własność określana tak samo jak dla olejów.
- Trwałość strukturalna wyznaczana podobnie jak temperatura kroplenia, kiedy po wielokrotnych odkształceniach smaru lub wzroście temperatury w węźle trącym zaczyna się wydzielać olej – składnik smaru. Smar plastyczny składa się z oleju i zagęszczacza.
- Odporność na działanie wody – bardzo ważna własność zapobiegająca wypłukiwaniu smaru w przypadku dostania się wody w miejsce, gdzie znajduje się smar plastyczny.
Każdy czynnik smarny oprócz smarowania, to jest oddzielenia elementów maszyn – powodując tarcie płynne – w wielu przypadkach ma też inne zadania, a mianowicie:
- odprowadzanie ciepła z obszarów tarcia, które jest zależne od sił tarcia. Miarą skutecznego smarowania jest odpowiednia temperatura węzłów urządzenia w czasie pracy, która w pewnych urządzeniach jest rejestrowana w sposób ciągły przez urządzenia diagnostyczne;
- zabezpieczanie elementów smarowanych przed korozją.
3. Rozwiązania układów smarowania maszyn poligraficznych ze szczególnym uwzględnieniem systemu centralnego smarowania olejem płynnym
Maszyny drukujące, w których występuje synchronizacja m.in. pracy szeregu podzespołów mechanicznych, wymagają bardzo sprawnych systemów smarowania. Mimo dynamicznego postępu technicznego w zakresie procesów smarowania i coraz lepszych środków smarnych, awarie węzłów tarcia zespołów drukujących stanowią poważne mankamenty eksploatacyjne tych maszyn. Odzwierciedlają się one w całkowitym rachunku ekonomicznym i są wciąż źródłem poważnych kosztów.
W maszynach poligraficznych rozróżniamy dwa zasadnicze sposoby smarowania, do których należą:
- smarowanie z wykorzystaniem centralnego smarowania olejem płynnym,
- smarowanie z wykorzystaniem smarowania smarem plastycznym.
Oba te systemy są systemami smarowania centralnego. System smarowania olejem płynnym składa się z: zasobnika środka smarnego, urządzenia sterującego, pompy, filtra, chłodnicy, przewodu głównego, zaworów sterujących, przewodów rozprowadzających oraz przewodów powrotu oleju do filtra i dalej do zasobnika, gdzie olej jest chłodzony. System smarowania smarem plastycznym składa się z: zasobnika środka smarnego, urządzenia sterującego, pompy działającej w taki sposób, że smar jest wtryskiwany cyklicznie, w ustalonych odstępach czasu oraz systemu doprowadzającego środek smarujący do węzłów smarowniczych. W tym systemie smar plastyczny nie wraca do zbiornika, lecz pozostaje na urządzeniach lub spływa do dolnej części maszyny. Automatyczny system smarowania olejem płynnym w sposób ciągły stosowany jest w wielu maszynach offsetowych, zarówno arkuszowych, jak i zwojowych. System centralnego smarowania olejem często jest wyposażony w urządzenia do chłodzenia i oczyszczania oleju, aby minimalizować zużycie współpracujących elementów. Zwykle jest stosowane smarowanie olejowe z układem powrotu – recyrkulacji (układ zamknięty). Zamknięty obieg centralnego smarowania pozwala na precyzyjne dostarczanie do wszystkich miejsc roboczych wymaganej ilości środka smarującego. Zawsze dostarczana jest odpowiednia dawka oleju do odpowiednich elementów wymagających smarowania powierzchni roboczych oraz uniemożliwiony jest dostęp zanieczyszczeń (kurz, woda itp.) do tych miejsc. Automatyczne sterowanie smarowaniem zapewnia istotną redukcję kosztów w eksploatacji i skrócenie czasu remontów. Dłuższa jest także żywotność maszyny oraz wyższa jej wartość przy ewentualnej dalszej odsprzedaży jej innemu użytkownikowi. Ciekawy system zastosowano w maszynach marki Shinohara, w których w monolitycznym korpusie została umieszczona miska olejowa systemu centralnego smarowania maszyny. System zastosowany w tych maszynach działa bezproblemowo i wydłuża bezawaryjny czas eksploatacji maszyny. Istotą rozwiązania wykorzystującego monolityczny korpus zawierający jednocześnie miskę olejową jest fakt, iż czynnik smarny wychładza się łatwo po powrocie do zbiornika o dużej masie, który spełnia dodatkowo funkcję radiatora.
Do zalet stosowania olejowego systemu smarowania można zaliczyć:
- automatyzację codziennej obsługi,
- wyeliminowanie tzw. czynnika ludzkiego (niekiedy najbardziej zawodnego ogniwa w eksploatacji), gdyż urządzenie zawsze smarowane jest od momentu rozpoczęcia pracy maszyny, a nie w sposób cykliczny po pracy lub przed nią oraz nie wymaga częstego uzupełniania smaru.
System zawiera układ kontrolny, który informuje o jego pracy i w przypadku zakłóceń pojawia się natychmiastowy alarm dla obsługi. W chwili osiągnięcia poziomu rezerwowego w zasobniku oleju obsługujący jest informowany o konieczności jego uzupełnienia. W maszynach poligraficznych w systemach automatycznego smarowania powinny być stosowane przewody smarne wykonane z mosiądzu lub stali nierdzewnej, które mogą być używane w skrajnie trudnych warunkach. Jednocześnie węglowodorowe składniki smarów nie osadzają się na ścianach przewodów tak mosiężnych, jak i stalowych, co ma miejsce w przypadku przewodów z tworzyw sztucznych. Takie dobranie materiałów zapobiega zatykaniu się przewodów.
Automatyczne smarowanie olejem należy rozpatrywać także w kwestii gwarancji znacznie mniejszego zużycia części i zredukowania czasu potrzebnego na ich wymianę w porównaniu z systemami wykorzystującymi smar plastyczny. Zmniejszone zostaje także o około 50% zużycie czynnika smarującego na skutek zastosowania układu zamkniętego. Dalsze oszczędności wynikają ze stosowania oleju dostarczanego w dużych pojemnikach. Ich koszt jest zawsze niższy o około 50% od smaru zwykle dostarczanego w małych pojemnikach. Oznacza to także realne obniżenie kosztów oleju o około 75%. Zmniejsza się też zagrożenie dla środowiska naturalnego nie tylko przez obniżone zużycie oleju, ale także przez recykling i brak gromadzenia się w dolnej części maszyny starego smaru, który czasami zawiera szkodliwe dodatki i jego opary mogą szkodzić człowiekowi.
4. Porównanie systemów smarowania olejem płynnym oraz olejem półpłynnym
Z przedstawionej w tabelach 1 i 2 analizy porównawczej wynika, że olejowe układy smarowania w obiegu zamkniętym posiadają lepsze parametry niż układy wykorzystujące smar plastyczny. Można stwierdzić, że stosowanie tych drugich nie jest dobrym rozwiązaniem w przypadku urządzeń skomplikowanych i drogich, jakimi są maszyny offsetowe.
Prof. dr hab. inż. Stanisław Pytko – Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
Mgr inż. Małgorzata Radecka – Mercator Poligrafia SA, Kraków
