Synthetische Getriebeöle im industriellen Einsatz

Synthetische Getriebeöle im industriellen Einsatz

 

In den Jahren 1764 bis 1769 verbesserte James Watt den Wirkungsgrad der atmosphärischen Dampfmaschine von Thomas Newcomen und entwickelte die Dampfmaschine zu einem leistungsfähigen, zuverlässigen und wirtschaftlichen Antrieb. Mit dieser Effizienzsteigerung wurde eine technische Entwicklung in Gang gesetzt, deren Auswirkungen auf die damalige und künftige Industrie unverstellbar war: Arbeitsprozesse, die bisher unter erheblichem körperlichen Aufwand betrieben wurden, konnten nun durch die Arbeitsleistung der Maschinen kontinuierlich und automatisiert ablaufen. Insbesondere die industrielle Fertigung war „Nutznießer“ der neuen Technologie.

Zentrales Element dieser Mechanisierung war zunächst die leistungserzeugende zentrale Kraftmaschine, deren Energie über Transmissionswellen und Lederriemen an die entsprechenden Arbeitsmaschinen geleitet wurde. Dieses Prinzip war jedoch auch mit vielen Nachteilen behaftet: Uneffizientes, ständiges Betreiben der Kraftmaschine, erhebliches Verletzungsrisiko durch den offen liegenden Transmissionsantrieb sowie Betriebsausfälle der Anlagen sorgten immer wieder für wirtschaftliche Rückschläge, welche jedoch die künftige Verbreitung dieser Technologie nicht verhindern konnte.

 

Konsequent wurden die Antriebe weiterentwickelt und deren Leistung stetig gesteigert. Schmierstoffe sorgten schon damals für einen „reibungslosen“ Ablauf“. Die Konzeption qualitätsangepasster Schmierstoffe war also eine logische Konsequenz. Entsprechende Voraussetzungen bot die entstandene industrielle Förderung und Verarbeitung von Mineralöl. Die erhöhten technischen Anforderungen erforderten eine gleichbleibende Qualität und leistungsfähigere Produkte, welche insbesondere durch spezielle Additive ermöglicht wurde.

Ab 1910 wurde dies systematisch betrieben und weiterentwickelt. Speziell während des 2. Weltkrieges begünstigte der Einsatz technisch leistungsfähigerer Maschinen als auch die vorherrschende Rohölverknappung die Konzeption synthetischer Schmierstoffe. Diese Grundtendenzen bleiben bis heute nahezu unverändert.

Neben den Forderungen nach höherer Maschinenleistung ist es inzwischen unabdinglich, den Energieverbrauch zu reduzieren. Durch den Einsatz geeigneter und auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmter Schmierstoffe wird zum einen die Lebensdauer der Aggregate und zum anderen die Leistungseffizienz maßgeblich gesteigert.

 

Dies trifft insbesondere auf den Einsatz in Getrieben zu:

Im Bereich der industriellen Anwendung, z.B. in Produktion, Fertigung und innerbetrieblichem Transportwesen sowie bei der Energieerzeugung, sind moderne Getriebe ein unverzichtbarer Bestandteil prozessoptimierter Abläufe.

 

Die vielen Anwendungsbereiche von Getrieben, mit unterschiedlichsten Anforderungsprofilen stellen zwangsläufig an die Schmierung der Konstruktionselemente des Bauteils hohe bis höchste Anforderungen.

 

Unterschieden wird zwischen mineralischen und synthetischen Getriebeölen.

 

Die Basis der mineralischen Produkte leitet sich schon aus der Definition ab: Ihr Trägerstoff ist Mineralöl unterschiedlicher Herkunft und mit verschiedensten Additivierungsmöglichkeiten.

 

Grundöle, abgeleitet aus speziellen chemischen Verbindungen, bilden die Basis für synthetische Produkte:

 

• synthetische Kohlenwasserstoffe (PAO)
• Polyglykole
• Carbonsäureester
• Phosphorsäureester

 

Innerhalb dieser Gruppen, nehmen die synthetischen Kohlenwasserstoffe eine führende Rolle ein. Ihre chemische Stabilität sowie ihre kalkulierbaren und kontrollierbaren Eigenschaften, verleihen den Fertigprodukten ihre Vielseitigkeit in der Anwendung.

 

Zunächst ein Blick auf die Klassifikation der Industriegetriebeöle: Grundlage ist die DIN 51517, Teil 3, in der die Mindestanforderungen für diese Produktgruppe definiert sind.

Damit mögliche Schmierstoffeigenschaften unkompliziert charakterisiert werden können, bietet die DIN 51502 eine Zuordnung von Kennbuchstaben und Symbole für die jeweiligen Schmierstoffe.

Als Beispiel dient ein Industriegetriebeöl

 

CLP 220

In der DIN steht der erste Buchstabe „C“ als Kennbuchstabe für ein Schmieröl. Der zweite Buchstabe „L“ ist ein Schmierstoff, der entsprechend der DIN aussagt, dass dieses Öl Wirkstoffe beinhaltet, die den Korrosionsschutz und/oder die Alterungsbeständigkeit des Produktes erhöhen.

 

Der dritte Buchstabe „P“ definiert ein Öl, das zusätzlich Wirkstoffe zur Erhöhung der Belastbarkeit beinhaltet und zur Herabsetzung von Reibung und Verschleiß.

 

Die Zahl „ 220“ bezeichnet die Viskosität und vervollständigt die Indentifikationsmöglichkeit dieses Industriegetriebeöls. Damit kann nun, entsprechend den Anforderungen der Hersteller, eine grobe Vorauswahl getroffen werden.

 

Am Beispiel eines Getriebes in einer Windkraftanlage lässt sich die Leistungscharakteristik eines synthetischen Getriebeöls darstellen: Diese Aggregate sind technisch hochkomplexe Maschinen, die in höchstem Maße den unterschiedlichsten Einflüssen ausgesetzt sind – beispielsweise:

 

• hohe Temperaturschwankungen
• hohe bis höchste Belastungen der Zahnflanken (Druckspitzen, schnelle Lastwechsel)
• Feuchtigkeit
• Vibrationen
• niedrige bis sehr hohe Drehzahl
• lange Ölstandzeiten

 

Das zentrale Bauteil einer Windkraftanlage ist das Hauptgetriebe. Aufgrund seiner tragenden Funktion und seiner hohen Dynamik, bedarf dieses Aggregat großer Aufmerksamkeit und Prävention. Besonders an die Einsatzdauer und Leistungsfähigkeit des Schmierstoffes werden die höchsten Anforderungen gestellt, die sich wie folgt zusammenfassen lassen:

• hervorragender Verschleißschutz
• breiter Temperatur-Einsatzbereich – minus 45 ^oC bis plus 130 ^oC.
• langfristiger Alterungsschutz
• Schutz vor Graufleckigkeit der Zahnräder
• Reduzierung der Schäumungseigenschaften
• gute Filtrierbarkeit

 

Die Schmierfähigkeit eines Öls ist von zentraler Bedeutung. Daneben ist die Fähigkeit der Wärmeableitung bzw. die thermische Stabilität wichtig, da das Öl relativ hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt ist. Was bedeuten „relativ hohe Temperaturen“?

Mechanische Arbeit erzeugt Wärme. Die mechanischen Verluste, die in Wärme umgewandelt werden, müssen zum großen Teil über das Öl bzw. über das Getriebegehäuse an die Umgebung abgegeben werden. Da in vielen Fällen die Getriebeoberfläche konstruktiv zu klein ausgelegt ist, um den Wärmefluss im Getriebe optimal zu leiten, und auch nicht alle diese Aggregate mit Ölkühlung ausgelegt sind, focusiert sich die Belastung des Öls auf die Temperatur. Messungen haben gezeigt, dass Öltemperaturen in Getrieben von Windkraftanlagen durchaus oberhalb von 100 Grad Celsius liegen. Legt man eine kalkulierte Standzeit von 10.000 Betriebsstunden zugrunde, so wird ersichtlich, dass mineralölbasische Öle schlichtweg diese Anforderung nicht erfüllen können. Auch die konventionelle Additivtechnologie ist in diesen Fällen überfordert. Es ist eine klare Definition an die geforderte Ölqualität, dass sowohl Grundöle als auch Additive eine Dauerbelastung von 1oo Grad Celsius – bei einem Mindesteinsatz von 10.000 Bh – ohne wesentliche Beeinträchtigung ihrer Leistungscharakteristik aushalten müssen.

Synthetische Getriebeöle können, da sie die Reibkräfte und damit die Schubbeanspruchung reduzieren, die Öltemperatur gegenüber den mineralischen Produkten gleicher Viskositätsklasse um 10 Grad Celsius mindern.

 

Es folgt die Betrachtung einiger physikalischer Unterschiede eines mineralischen CLP zu einem synthetischen CLP—auf Basis Polyalphaolefine-- bei gleicher Viskosität:

 

                               CLP 220 mineralisch                                            CLP 220 synthetisch

 

Viskositätsindex (VI)                   93                                                                            160

 

Der Viskositätsindex von 160 gewährleistet die stabile Viskositätslage bei hohen Temperaturen. Das Öl bleibt ausreichend viskos und behält einen stabilen Schmierfilm an den Konstruktionselementen. Aus den beiden unterschiedlichen VI ist schon zu erkennen, wo die Grenzen der Funktionalität eines mineralischen Produktes liegen können.

 

Verdampfungsverlust:          mäßig                                                                   sehr gut

 

Der Verdampfungsverlust kennzeichnet den quantitativen Verlust an Öl durch Erwärmen. Je höher der Verdampfungsverlust (%), desto geringer die thermische Stabilität.

 

Pourpoint (Kälteeignung)    minus 22 Grad C                                     minus 45 Grad C.

 

Der Pourpoint gibt die Temperatur an, bei der ein Öl in einem waagerecht gestellten  Probegefäss innerhalb von 5 Sekunden nicht mehr fließt.

Auch hier haben wir eine Indikation für den Einsatz eines Öls: Die tiefe Anfahrtemperatur des Getriebes erfordert einen niedrigen Pourpoint. Start-up-Temperaturen von minus 40 Grad bis Minus 20 Grad ⁰C sind keine Seltenheit.

 

Fazit:

Meguin hat seine Laboranalytik auf diese Anforderungen und Überwachungskriterien ausgerichtet. Ölkontrollen und abgestimmte Analysen sind – unabhängig vom direkten Kostenfaktor – sinnvoll, notwendig und mit Sicherheit wesentlich kostengünstiger als Maschinenausfall und Reparaturkosten. Für die Betriebssicherheit des Aggregates, ist eine regelmäßige Überprüfung der relevanten Ölparameter durchzuführen, um auch ein Trendverhalten der Ölbelastung rechtzeitig zu erkennen und zu reagieren. Im Zentrum des Interesses für Techniker stehen folgende Werte:

 

1.) TAN (total acid number): Zunahme der TAN gegenüber zum Frischöl um 1 mg/g Kaliumhydroxid, weist auf eine starke Oxidation des Öls bzw. des Additivsystems hin. Das Öl ist gealtert!

 

2.) Wassergehalt: U.a. gelangt durch den Sauerstoff Feuchtigkeit in das System. Befinden sich 0,1 bis 0,5% Wasser im Öl, muss es gewechselt werden.

 

3.) Schmierölviskosität: Ein Anstieg um 10% deutet auf eine nicht unerhebliche thermische Belastung des Öls hin. Die Ursache muss in jedem Fall geklärt werden bevor weitere Schäden entstehen. Eventuelle unzulässige Veränderungen im Kreislauf des Öls sind zu überprüfen.

 

Natürlich wird der Techniker mit Hilfe seiner modernen Analysemöglichkeiten (Infrarotspektrum) weitere für die Bewertung der aktuellen Gebrauchtölqualität relevante, Untersuchungen durchführen: Metallanteile im Öl bestimmen, Abbau von Additiven, bzw. Veränderungen etc.

 

Schließlich geht es um die Festlegung von Maßnahmen, um die Anlage vor Kosten zu schützen, bzw. um mögliche Kosten zu reduzieren.

 

4.) Abrasiver Verschleiß: Befinden sich metallische Partikel im Öl, kann von einer hohen Belastung ausgegangen werden. In einem intakten System, dürfen Verschleißelemente nicht Auftreten. In diesem Falle, ist die Betriebssicherheit der Anlage mehr als gefährdet und eine sofortige Ursachenanalyse erforderlich.

 

Die Autoren:

Gerd Ludwig ist Gesamtvertriebsleiter der Meguin Mineralölwerke, Wolfgang Gruß ist Verkaufsleiter National.

Beide verfügen über jahrelange Erfahrung in der technischen Konzeption und Anwendung von Industriegetriebeölen.

Kontakt:

Tel: 06831-89 09 40

E-Mail: Wolfgang.Gruss@meguin.de

Weitere Informationen erhalten Sie bei
Meguin GMBH & Co. KG
Mineralölwerke
Tobias Göbbel
Leiter Öffentlichkeitsarbeit
Rodener Str. 25
D-66740 Saarlouis
Fon: +49 (0)731/1420-890
Fax: +49 (0)731/1420-922
Tobias.Goebbel@liqui-moly.de

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