Undersøgelse af samspil mellem smøremiddel, leje og tandhjul i gear til vindmøller

Transkript

1 RAPPORT Eltra dok nr , sag juli 2003 Undersøgelse af samspil mellem smøremiddel, leje og tandhjul i gear til vindmøller Afrapportering af PSO-projekt 2042 Elsam A/S Nordjyllandsværket Kemi & Miljø Vor ref. : HM hm@elsam.com Kontrol : K&M nr. : Rapport nr. : Fordeling : FLU/Eltra, CHN, Projektdeltagerne 1. Baggrund Danmark er førende i udvikling af vindmøller, og det sidste tiår har vindmølleindustrien været karakteriseret ved nogle særdeles høje vækstrater, både hvad angår møllernes størrelse og antal opstillede møller. Ved en så forceret teknologisk udvikling er der risiko for at videreføre nogle designprincipper, som senere viser sig at være fejlagtige. I midten af 90 erne begyndte problemer med skader i gearkasser til vindmøller at brede sig, hvilket bl.a. medførte store økonomiske tab til reparationer og ombygninger. Skader på gear i vindmøller omfattede såvel skader på tandhjul som lejer. Gearproblemer optrådte i stort tal i møller i størrelse fra 400 til 750 kw, og i disse møller var det primært havari af gearet sfæriske rullelejer, som gav anledning til gearproblemer. En lang række faktorer er bestemmende for gearets levetid i en vindmølle. Blandt væsentlige faktorer kan nævnes gearets belastning og lastspektrum, materialevalg, lejetype, design af gear samt olietype og olierenhed. På daværende tidspunkt var der en utilstrækkelig viden om smøreoliens betydning for gearet levetid generelt, og der var også et udtalt behov for at få afdækket, i hvilket omfang de mange lejehavarier skyldtes utilstrækkelig smøring. En række af de danske vindmølleproducenter havde i tidens løb gennemført feltafprøvninger af forskellige olietyper i vindmøller, men der savnedes en mere systematisk kortlægning af samspillet mellem smøremiddel, leje og tandhjul under de dynamiske forhold, som findes i gear i vindmøller for herigennem at kunne belyse, i hvilket omfang gearproblemerne skyldtes mangelfuld smøring. På den baggrund besluttede Vestas Wind System, NEG Micon, Danmarks Vindmølleforening og Elsam at søge PSO-midler til udviklingsprojektet

2 Side 2 Rapport nr Undersøgelse af samspil mellem smøremiddel, leje og tandhjul i gear til vindmøller. Et vigtigt element i projektet var ønsket om at få udviklet nogle bedre værktøjer til undersøgelse og karakterisering af tandhjul og lejers overflader, og derfor blev Teknologisk Institut, Center for Overfladeanalyse inddraget i projektet. 2. Formål Projektets formål er udvikling af en testmaskine, hvor smøreforholdene i tandhjul og lejer i gear til vindmøller kan undersøges under realistiske driftsbetingelser. Testmaskinen skal, indenfor visse rammer, kunne simulerer de dynamiske belastninger tandhjul og lejer udsættes for i gear i vindmøller. Der er i dag udviklet en række analysemetoder for undersøgelse og karakterisering af overfladers egenskaber. Som et delelement i dette projekt skal der afprøves og udvælges egnede teknikker til karakterisering af testobjekternes (tandhjul og lejer) overflader. 3. Projektplan Projektet er opdelt i to faser. Fase 1 omfatter fastlæggelse af design og specifikationer for en testmaskine, hvor testemner i form af tandhjul og leje kan udsættes for dynamiske belastninger, der simulerer forholdene i gear i vindmøller. I fase 1 skal der endvidere i samarbejde med Center for Overfladeanalyse udvikles egnede metoder til undersøgelse af, hvilke ændringer der sker med testobjekternes overflader, når de har været belastet i testmaskinen i kortere eller længere tid. I fase 2 fremstilles en prototype af testmaskinen, og der gennemføres en serie målinger med det sigte, at få afdækket hvorledes skader i lejer og på tandflanker opstår og udvikler sig havari. På baggrund af disse erfaringer udformes en standardprocedure, som fremover kan benyttes til udvælgelse af egnede smøreolier til gear i vindmøller.

3 Side 3 Rapport nr Aktiviteter 4.1 Udvikling af metoder til undersøgelse og karakterisering af lejers og tandflankers overflader Der har været afholdt projektmøde på Center for Overfladeanalyse, Teknologisk Institut for præsentation af de forskellige analyseteknikker, centret råder over. Efterfølgende er der lavet topografisk karakterisering af overflader af brugte og ubrugte lejer, dels ved direkte måling i 2D/3D stylus instrument og 3D interferensmikroskop og dels indirekte ved aftryk/replica-teknikken. Resultaterne af undersøgelserne er nærmere beskrevet i rapporten Karakterisering af gearkomponenters overfladetopografi, som findes i bilag 1. Sammenfattende kan det konkluderes, at de kendte, standardiserede måleteknikker er egnede til måling af lejers og tandflankers overfladetopografi, om end ubrugte lejer har en ruhed, som ligger tæt på 2D/3D stylusinstruments opløsningsevne. Resultatet af en sådan måling giver en række værdifulde ruhedsparametre, som er relevante ved vurdering af overfladens bæreevne og evne til at virke som lokalt smøremiddelreservoir. Replica-teknikken har i mange år været anvendt til at undersøge overfladers topografi, men så vidt vides har den ikke i større omfang tidligere været anvendt til måling af lejer og tandflankers overflader. I projektet er der lavet en række replica-målinger, som er sammenholdt med en direkte måling ved 2D/3D-stylus instrument. Generelt er der fundet en tilfredsstillende overensstemmelse mellem disse to metoder, og replica-teknikker er også eftervist at have den fornødne reproducerbarhed til at være anvendelig i praksis. Det er en vigtig erkendelse, for den indebærer mulighed for at foretage en topografisk karakterisering af overflader i gear i vindmøller i langt større udstrækning end nu. Replica-aftrykket kan tages i felten eller i forbindelse med undersøgelse/udskiftning af komponenter i gear, og disse aftryk kan så efterfølgende sendes til undersøgelse hos eksempelvis Center for Overfladeanalyse. 4.2 Fastlæggelse af design for testmaskine til undersøgelse af samspil mellem smøremiddel, leje og tandhjul under dynamiske forhold. Det er en ganske omfattende opgave at dimensionere og opbygge en brugbar testmaskine helt fra grunden, og derfor valgtes i første omgang at tage udgangspunkt i de metoder, der i dag findes til undersøgelse af gearoliers og fedters egenskaber:

4 Side 4 Rapport nr FAG s Wälzlager- und Schmierstoffprüfgerät FE8, DIN SKF s RF2-M -testudstyr FZG Zahnrad Verspannungs-Prüfmaschinen, DIN Relativt hurtigt i projektforløbet stod det klart, at det det ikke indenfor dette PSO-projekts rammer ville være muligt, at opbygge en testmaskine indeholdende både et testleje og test-tandhjulpar. Som tidligere nævnt er langt den overvejende del af skader i gear i vindmøller relateret til lejer, og derfor valgtes at fokusere på en testmaskine, hvor et testleje kunne udsættes for dynamiske belastninger. Det begrænsede valgmulighederne til FAG og SKFs udstyr. Der blev rettet henvendelse til de to store lejeproducenter, FAG og SKF, og afholdt møder med deres udviklingsafdelinger. Til undersøgelse af gearoliers egenskaber i lejer benytter FAG en FE8- testmaskine, og der er udviklet et prøveprogram omfattende undersøgelse af slid, lejelevetid ved grænselagssmøring, lejelevetid ved elastohydrodynamisk smøring (EHD) samt oliernes tilbøjelighed til belægningsdannelse ved høj temperatur. FAGs undersøgelsesmetodik virker umiddelbart velvalgt og dækkende, men den væsentligste anke er, at lejet kun udsættes for en statisk belastning, og der i øvrigt som testlejer anvendes cylindriske rullelejer og ikke sfæriske rullelejer, som i vindmøller har vist at give mange problemer. SKF havde på daværende tidspunkt ikke udviklet testudstyr specielt dedikeret til undersøgelse af samspil mellem gearolie og lejer i vindmøllegear. Den af SKF udviklede testmaskine, R2F-M, som er udviklet til undersøgelse af smørefedters egenskaber, kan ikke umiddelbart modificeres, så den opfylder de krav, vi har opstillet i dette PSO-projekt. SKFs forslag til undersøgelse af gearoliers tribologiske egenskaber omfatter måling af oliens filmtykkelse, viskositet og friktion, som kan foretages i en testopstilling benævnt Ball on disk samt undersøgelse af additivers egenskaber ved et såkaldt Two disk forsøg. Det er alle forsøgsopstillinger, der giver nogle basale karakteristika af de undersøgte olier, men projektgruppe fandt ikke, at disse oplysninger var tilstrækkelige til at forudsige oliers egenskaber i gear til vindmøller. På baggrund af møderne med FAG og SKF besluttedes at arbejde videre med FAG med henblik på at udvikle en modificeret FE8-testrig, som kunne opfylde vores krav til testmaskinen. I samarbejde med FAG blev der udarbejdet et koncept for en testmaskine til undersøgelse af samspil mellem smøreolie og leje under dynamiske forhold:

5 Side 5 Rapport nr Som testleje anvendes et sfærisk rulleleje. Testlejet kan dynamisk belastes med såvel aksial- som radialkræfter. Den samlede belastning i aksial og radial retning er sammensat af en statisk belastning overlejret med en dynamisk belastning, men en frekvens, der kan varieres fra 5-10 Hz. Det samlede fladetryk er ca MPa; testlageret er af type 22312E og med et P/C forhold på 0,5 og F aksial /F radial kan vælges i området 0 0,7. Olietilførslen til testlejet er regulerbart, med en normal doseringsmængde på 100 ml/min. Omdrejningstallet kan varieres fra 0 til 2000 rpm, og hastighedsfaktoren n D m kan varieres op til Oliesumpen til testmaskinen er forsynet med termostatering, så oliens temperatur kan reguleres fra 40 til 100 ºC. Oliesumpen forsynes med effektive oliefiltre (for at holde et lavt partikelindhold) og mulighed for indblæsning af luft i olien. Anlægget opbygges, så det kan anvendes til forsøg med mineralske såvel som syntetiske gearolier (poly- -olefiner, poly-glycoler og bionedbrydelige olier) Til testudstyret er der tilkoblet en PC som styrer og kontrollere testkørslen og registrere en række driftsdata. Efterfølgende udarbejdede FAG et tilbud på bygning af en testmaskine med ovennævnte specifikationer. Med en pris på 4,1 mio. kr. oversteg den langt de økonomiske rammer for dette PSO-projekt. Dertil kom, at én testmaskine ikke ville være tilstrækkeligt til at gennemføre undersøgelser, der involverede bestemmelse af lejelevetid. FAG og SKF understregede, at sådanne undersøgelser er behæftet med en ret stor variation af analyseresultaterne, hvilket medfører behov for gentagne målinger. Der ville således være behov for et antal af disse testmaskiner, hvis det skitserede undersøgelsesprogram skulle kunne afsluttes indenfor den planlagte tidsramme. På den baggrund vurderede projektgruppen, at opgavens omfang både tidsmæssigt og økonomisk - var langt større end oprindeligt antaget, og projektet blev derfor stoppet efter fase 1.

6 Side 6 Rapport nr Sammenfatning og konklusion I fase 1 af projektet Undersøgelse af samspil mellem smøremiddel, leje og tandhjul i gear til vindmøller er der skabt overblik over, hvilke analysemetoder der er egnede til undersøgelse lejer og tandflankers topografi, og som indeholder langt mere information end de nuværende metoder til vurdering af slid i lejer og tandhjul. Det er påvist, at replica-teknikken er brugbar selv på overflader af ubrugte emner med en ruhed på ned til ca. 0,1 :m. Der eksisterer i dag ikke noget udstyr, som er dedikeret til undersøgelse af smøreforholdene i lejer og tandhjul under dynamiske belastninger, svarende til de belastninger, der forekommer i gear til vindmøller. Det er fortsat projektgruppens opfattelse, at kun med et sådant udstyr vil det være muligt at kortlægge smøreoliens betydning for lejer og tandhjuls levetid i vindmøllegear. Der er opstillet specifikationer til en egnet testmaskine, som vil kunne fremstilles ud fra FAGs nuværende, standardiserede udstyr: Wälzlager- und Schmierstoffprüfgerät FE8, DIN Prisen for en enkelt testmaskine er dog prohibitiv høj ca. 4,1 mio. kr. hvorfor det ikke skønnes muligt at videreføre fase 2 af dette PSO-projekt. Der er fortsat et udtalt behov for at udvikle egnet testudstyr til kortlægning af smøreforholdene i gear til vindmøller for at kunne understøtte den fortsatte udviklingen af vindmølle-teknologien. Omfanget af denne indsats er der dog så stor, at den kun kan løftes af de primære parter, lejeproducenterne og gearleverandørerne. For at fremme denne udvikling må vindmølleproducenterne og brugersiden presse på og medvirke til, at der på sigt bliver udviklet standardiserede testmetoder, som tager udgangspunkt i de specielle driftsforhold, der gør sig gældende i gear til vindmøller.

7 BILAG 1 PROJEKTRAPPORT KARAKTERISERING AF GEARKOMPONENTERS OVERFLADETOPOGRAFI CENTER FOR OVERFLADEANALYSE TEKNOLOGISK INSTITUT PROJEKT: UNDERSØGELSE AF SAMSPIL MELLEM SMØREMIDDEL, LEJE OG TANDHJUL I GEAR TIL VINDMØLLER PROJEKTNR.: PSO 2042 PROJEKTPARTNERE: ELSAM A/S TEKNOLOGISK INSTITUT NEG MICON A/S VESTAS A/S DANSK VINDMØLLEFORENING

8 Indholdsfortegnelse 0 Baggrund for projekt og undersøgelse Problemstillinger, udstyr og metoder Problemstillinger Mikrostruktur og -kemi Overfladetopografi Prøvemner Standarder og parametre Resultater Visualisering, SEM og 3D stylus Måling af topografi Reproducerbarhed af replika Konklusion.11 side 2 af 11

9 0 Baggrund for projekt og undersøgelse Projektets overordnede mål er at udvikle testudstyr og prøvningsmetoder ril undersøgelse af samspil imellem smøremiddel, leje og tandhjul i gear til vindmøller. Testudstyret skal anvendes til at kortlægge de mekanismer, der fører til skader i lejer og tandhjul i vindmøllerne. De tribologiske forhold i gear afhænger af flere parametre herunder overfladernes topografiske og materialeteknologiske karakteristika. Som en delelement i den overordnede testprocedure indgår derfor en strukturel, kemisk og topografisk karakterisering af gearkomponenternes overflader. Slid som funktion af belastningsforhold monitoreres pt. ved en simpel vejning af komponenterne. DIN foreskriver et maksimalt slid på 30 mg. En god olie vil typisk give et slid på mg. En sådan måling er behæftet med stor usikkerhed og givet et meget unuanceret billede af slidsituationen. Det er kendt, at anti-wear additiverne i smøreolien har en negativ effekt på komponenternes levetid. Tribofilmens kemi er således et væsentlig element i forståelsen af slidmekanismerne. Denne rapport beskriver resultaterne af Center for Overfladeanalyses udviklingsarbejde under PSO projekt 2042 fase 1 mht. til etablering af kvantitative måleprocedurer til monitorering af slid. I fase II af projektet skal der etableres experimentelle slidmodeller. 1 Problemstillinger, udstyr og metoder 1.1 Problemstillinger I referat fra projektmøde den 26/5 på Teknologisk Institut opregnede Ole Lund Jensen fra Vestas A/S typer af lejebeskadigelser initieret fra overfladen: Fremstillingsskader (plastiske deformationer). Montagemærker (især aksielle rivninger). Stilstandsmærker. "Ætse"-mærker/ - skjolder. Skidding - rivning efter uensartet hastighed eller ved opstart af mølle. Indtrykning af hårde duktile/sprøde partikler. Indtrykning af bløde partikler. Rundgående ridser; opvalsede spor hidrørende oprindeligt fra partikler fastsiddende i holderen. Skader fra "dieseling" og høje lokale temperaturer (luft i olie). Mikropitting som følge af tynd smørefilm. Strømgennemgang som følge lyn, svejsning eller statisk elektricitet fra rotoren (et enkelt eller få "sår"). Strømgennemgang som følge af udladning af statisk elektricitet i smøreoliesystem (mange små "sår"). Varmløbning som følge af smøremiddel mangel. Hertil kommer problemstillinger knyttet til overfladens mere grundlæggende egenskaber herunder overfladens topografiske karakteristika. Kontakt imellem to overflader fordrer en vis ruhed og et antal ridser. Hvis overfladerne er for glatte, er der risiko for, at de svejser sammen. Tværgående ridser fungerer som reservoir for smøreolien og for slidpartikler. Med andre ord overfladers egenskaber kan styres ved passende valgt ruhed, bæreflade, ridser etc. eller generelt ved passende valgt 3D topografi. side 3 af 11

10 1.2 Mikrostruktur og -kemi Et antal af lejeskaderne nævnt under punkt 1.1 er direkte synlige og andre kan gøres synlige i et almindeligt lysmikroskopi. Mere detaljerede undersøgelser fordrer et scanning elektronmikroskop (SEM). Scanning elektronmikroskopi er særdeles velegnet til at undersøge og visualisere materialers mikrostruktur, f.eks. mikropitting skader i tandhjul og lejer. Det er desuden muligt at udføre kemiske analyser i et SEM. Figur 1 viser et af Centrets tre elektronmikroskoper. SEM udstyret er kun blevet anvendt i mindre omfang i fase I af projektet, men udstyret er generelt anvendeligt i stort set alle metallurgiske problemstillinger. Røntgenudstyret kan anvendes til at analyse kemiske belægninger på overflader, f.eks. fordeling af svovl, fosfor og klor i smøre- og rengøringsmidler. Figur 2 viser et eksempel på kemisk analyse af en korrosionsbelægning på et rørsystem fra Elsamprojekt A/S. Figur 1: Scanning elektronmikroskop (SEM) Figur 2: SEM billede og x-ray maps af belægning på rør set i tværsnit (farverne angiver koncentrationsfordelingen af klor, krom og jern). side 4 af 11

11 1.3 Overfladetopografi Den væsentligste del af projektarbejdet under fase I knytter sig til den topografiske karakterisering af overflader på gearkomponenter. Overflader på ubrugte komponenter har ruheder på ca. 100 nm. Ruheder på slidte komponenter ligger fra 200 nm til 100 µm. Nogle af gearkomponenterne har geometriske størrelser og vægt, der umuliggør en direkte undersøgelse i Center for Overfladeanalyses topografiudstyr. Det er derfor nødvendig at tage aftryk/ replika af overfladerne. Der findes et begrænset antal replika-systemer på markedet. Generelt er disse systemer udviklet til at gengive væsentlig grovere strukturer end de, der observeres for gearkomponenter. Første delopgave har derfor omfattet en evaluering af replika-teknikken til brug på de meget glatte gearkomponent overflader. Vi har tidligere gennemført tilsvarende evalueringer i ruhedsområdet 1 til 100 µm, men evalueringsarbejdet mht. glatte overflader har stort set måtte startes fra scratch. Nationale og internationale standarder (DIN/ISO, EU) foreskriver måleudstyr, måleprocedurer og parametersæt. Det er tilstræbt at følge disse standarder og vælge et parametersæt, som kan anvendes til at monitorere slid på gearkomponenter. Standardisering er generelt væsentlig i dette projekt. Der er derfor udarbejdet detaljerede måle- og kalibreringsprotokoller. Figur 3 viser 2D/3D stylus instrument til måling af overfladetopografi. Pickupen har en krumningsradius på 5 µm. Der kan udmåles en eller flere profiler. Et 3D scan består af et antal parallelle profiler, f.eks Det maksimale scanområde er 100 *100 min, og den optimale punktopløsning er 2 nm. Figur 3: 2D/3D Surfascan stylus instrument Pga. de meget glatte overflader er der udført supplerende målinger i et såkaldt 3D interferensmikroskop. Dette mikroskop udmærker sig ved berøringsfrit at kunne måle ruheder i området 0,5 run til 100 µm med meget stor lateral opløsning. Figur 4 viser et billede af dette instrument. side 5 af 11

12 2 Prøvemner Figur 4: 3D interferensmikroskop I fase I af projektet har vi modtaget et begrænset antal emner fra Vestas A/S og Nec Micon A/S. Vi har ikke modtaget hverken nye eller brugte tandsæt. Figur 5 viser komponenterne i en såkaldt "roller bearing". Vi har udført målinger på rullerne og det indre leje. Figur 6 viser et planetleje og figur 7 et leje fra et havari. Vi har modtaget tre typer emner: et ubrugt, et brugt og et beskadiget svarende til figur 7. I_IuF:~ide part Figur 5: Komponenter i en "roller bearing" Figur 6: Ubrugt planetleje (FAG 22234) Figur 7: Leje fra havari (FAG ES) side 6 af 11

13 Lejet vist i figur 7 har ifølge det oplyste siddet på en aksel med to lejer i hver sin ende. Det andet leje er stort set ikke slidt. Dette illustrerer lidt af problemstillingen. Det er ikke af interesse at måle overfladetopografien af de mekanisk beskadigede områder på lejet. Målepositionerne på lejerne er vist i figur 8. Position A, B og C på leje til højre er ikke markeret på figur 8, men er placeret henholdsvis i stærkt beskadiget område, i mindre beskadiget område og i glat område. Figur 8: Markering af målepositioner på brugt og beskadiget emne Der er taget aftryk/ replika af emnerne som vist i figur 6. Der er bygget op med aluminiumstape og replikavæsken er hældt ned i formen. Der er anvendt en replika-masse af typen Technovit 3040 acrylat pulver/væske. Aftrykket størkner i løbet af 1-2 minutter. På afmonterede lejer er der taget aftryk som vist i skitsen i figur 9. Måleområderne er givet betegnelserne fra venstre mod højre: c, b, a, d, e, f Overfladernes afrenses forud for prøvetagningen eventuelt med et replika, som kasseres. side 7 af 11

14 3 Standarder og parametre 2D målinger udføres i henhold til DS/EN ISO 4287: Geometriske produktspecikationer (GPS). Denne standard beskriver målemetode og parametersæt. Der findes på nuværende tidspunkt ikke en officiel 3D standard, men metoder og parametersæt er beskrevet i en rapport fra et EU forskningsprojekt. Såvel i 2D som i 3D verdenen opereres der med fire typer af parametre: Amplitude parametre f eks. den velkendte ruhed ( 2D: Ra, Rz; 3D: Sa, Sz). Spatielle parametre f.eks. tæthed af toppe per arealenhed (3D: Sds). Hybrid parametre. Funktionelle parametre. Specielt den sidste type er relevant mht. kvantificering af slid. De funktionelle parametre beskriver en overflades bæreevne og evne til at fungere som reservoir for en smøreoliefilm. Bærekurven eller materialefordelingskurven er skematisk vist i figur Bearing area ratio (%) Figur 10: Skematisk tegning af materialefordelingskurve Materialefordelingskurven giver et grafisk udtryk for hvor meget materiale, der er tilstede i en given dybde af 2D profilen eller 3D overfladen. I figur 10 er vist tre parametre: Spk (den reducerede tophøjde) er et udtryk for "run-inn" ruhed. Sk (kerneruheden) er et udtryk for ruhedsdybden af den del af overfladen, der kommer til at fungere som interface til en anden berørende overflade. Svk (den reducerede daldybde) er et udtryk for ruhedsdybden af den del af profilen eller 3D overfladen, der kan virke som smøremiddelsreservoir. De modtagne prøveemner repræsenterer ikke emner fra et kontrolleret slidforsøg. Det er derfor ikke muligt på nuværende tidspunkt af vurdere parametervariationerne som funktion af belastning. Men i en lang række andre slidsituationer, f.eks. oliehydraulik og cylinder liners til dieselmotorer, har disse parametre vist sig velegnede til monitorering af slid. side 8 af 11

15 4 Resultater Der er udført et meget stort antal 2D og 3D målinger på replikaer fra lejer og på ruller dels direkte målinger og dels målinger på replika fra ruller. Som tidligere nævnt er der udarbejdet måle- og kalibreringsprotokoller dækkende ruhedsområdet 20 nm til 10 µm. Disse protokoller er ikke vedlagt denne rapport. Rapporten beskriver i billeder og tabeller de væsentligste resultater fra projektarbejdet. Der lægges vægt på at visualisere de mange muligheder, som topografiske undersøgelser giver for at karakterisere slid på lejer og ruller. Den samme metodik kan anvendes til visualisering og kvantificering af slid på tandsæt, 4.1 Visualisering, SEM og 3D stylus I figur 11 har vi vist, hvorledes A) det stærkt beskadigede område, B) det mindre beskadigede område og C) det glatte område på leje vist til højre i figur 8 tager sig ud i SEM og 3D stylus instrument. Målingerne er udført på replika af overfladen. Billeder optaget med stylus instrument kan umiddelbart inverteres og dermed visse metaloverfladens topografi. Det er ikke direkte muligt med SEM billeder. Ved at vende SEM billeder 180 grader kan der skabes en optisk illusion, således at man ser metaloverfladens positivbillede. I område A måles en ruhed på 26 µm. I område B måles en ruhed på knap 3 gm og i område C en ruhed på 0.4 µm. Dvs. der er markante forskelle på overfladens beskaffenhed, hvilket svarer til det visuelle indtryk. side 9 af 11

16 4.2 Måling af topografi Vi har opmålt det brugte leje vist i figur 8 i de angivne positioner. Figur 12 viser de opnåede resultater. Ruhedsdata i figur 12 viser: Uens slid på venstre og højre halvdel leje. Ra ændres fra 1 gm til 0.3 gm. Den centrale bæreflade er ligeledes forskellig for de to halvdele. Den reducerede daldybde, Rvk, er markant ændret fra venstre til højre halvdel af lejet. Det betyder, at smørremiddelreservoiret er mindsket markant. For er ubrugt leje ligger R a i området 0,06 til 0,08 µm R z i området 0,4 til 0,8 µm R k i området 0,15 til 0,20 µm R pk i området 0,05 til 0,10 µm R vk i området 0,2 til 0,3 µm For et ubrugt rulle: ca. 0,2 µm ca. 1 µm ca. 0,4 µm ca. 0,1 µm ca. 0,3 µm For et ubrugt leje ligger ruhedsværdierne kun en faktor to over støjniveauet for stylus instrumentet. Det er derfor væsentligt at verificere instrumentets støjniveau ved måling på en planglas standard. Alternativt anvendes interferensmikropet, hvor støjniveauet er helt nede på 0.5 mn. Ruhedsværdierne for en ny rulle ligger generelt højere end ruhedsværdierne for et nyt leje. 4.3 Reproducerbarhed af replika Vi har målt reproducerbarheden af replika prøvetagningen ved at udføre denne tre gange. Herefter der der målt fem 2D profiler. Normalt ligger reproducerbarheden på 10% relativt. Men for meget glatte overflader opnås kun en reproducerbarhed på ca. 25%. Figur 13 viser situationen for Rvk parameteren. side 10 af 11

17 Figur 13: Måling af replika reproducerbarhed, Rvk parameter I figur 13 ses en markant større måleusikkerhed for position a. En nærmere undersøgelse i lysmikroskop viser, at det skyldes et indtryk i overfladen som pickupen har passeret. Generelt skal man være forsigtig med replika af meget glatte overflader. Der skal minimum tages tre replika per emne. Hertil kommer, at 2D målinger kan give et falsk indtryk af overfladens beskaffenhed. For rullerne har det været muligt at sammenligne resultater opnået ved direkte målinger på rulle med resultater fra replika. Generelt er der en god overensstemmelse for rullerne. Overensstemmelsen er knap så god for de meget glatte lejeoverflader men dog acceptabel. I interferensmikroskopet ses, at replika af glatte overflader har en forstruktur, som ikke kan tilskrives emnet men skyldes f eks. luftbobler i replikamassen. 5 Konklusion I fase I af projektet har vi ikke studeret kemien af tribofilm. Med et eksempel fra en anden projektopgave er det vist, at SEM i kombination med røntgenmikroanalyse f.eks. kan vise fordelingen af svovl, fosfor og klor i smøreolie-additiver. Center for Overfladeanalyse råder desuden over udstyr til måling af kemien af meget tynde tribofilm (molekyllag). I fase I har vi fokuseret på at udvikle metoder til kvantitativ karakterisering af gearkomponenters overfladetopografi. Der er etableret prøvetagningsprocedurer og 2D/3D måle- og kalibreringsprotokoller. Det er verificeret, at Technovit acrylat replika systemet kan anvendes til prøvetagning på større emner. Dette skal udføres med større opmærksomhed, når det drejer sig om ubrugte meget glatte lejer. De meget glatte overflader kan ligeledes give problemer med stylus instrumenter, idet ruhedsværdierne for emnerne kun ligger en faktor 2-3 over instrumentets støjniveau. Dette niveau er ikke nødvendighed konstant i tiden. Vi har fastlagt et parametersæt bestående af ruhedsparameterne Ra/Sa, Rk/Sk, Rpk/Spk og Svk, hvor R* er nomenklaturen for 2D målinger og S* nomenklaturen for 3D målinger. Generelt anbefales det at anvende 3D målinger, omend disse er mere tidskrævende. På baggrund af projektarbejdet i fase I kan det konkluderes, at det vil være muligt at monitorere slid på gearkomponent overflader som funktion af belastning og smøremiddel. Den udviklede metode giver en meget mere nuanceret billede af slidmekanismerne, end der kan opnås ved simple vejninger. side 11 af 11