Voitelu – määritelmä, periaatteet, tyypit ja käytännön esimerkit

Voitelu: miten voitelukalvo vähentää kitkaa ja kulumista — periaatteet, tyypit (öljy, rasva, kiinteät) ja käytännön esimerkit koneista, nivelistä ja silmistä.

Voitelu on fysikaalinen prosessi, jonka ansiosta pinnat liikkuvat sujuvasti toisiaan vasten. Pintojen väliin jäävä ohut voitelukalvo vähentää pintojen kitkaa ja kulumista ja estää lämpötiloja nousemasta liikaa. Voitelukalvo voi olla kiinteä/neste-dispersio, neste, neste-neste-dispersio (rasva) tai poikkeuksellisesti kiinteä aine tai kaasu.

Esimerkkejä ovat öljyn käyttö koneissa, kyynelten toiminta silmissä ja nivelneste nivelissä.

Voitelun periaatteet

Voitelun tärkein tavoite on muodostaa pinnan päälle tai pintojen väliin sellainen kalvo, joka vähentää suoranaista kosketusta. Voitelussa esiintyy eri toimintatilanteita:

• Rajakerrosvoitelu (boundary) – pinnat ovat hyvin lähellä toisiaan ja voitelukalvo on ohut, jolloin pintojen kemialliset tai fysikaaliset ominaisuudet vaikuttavat suuresti.
• Sekavoitelu (mixed) – osa pinnasta kantaa kuorman voitelukalvon avulla ja osa koskettaa suoraan toista pintaa.
• Nestevoitelu / hydrodynaaminen – liikkeen kautta syntyvä nestevirtaus muodostaa jatkuvan kalvon, joka kantaa kuormaa.
• Elastohydrodynaaminen voitelu (EHD) – kovilla pintapaineilla ja pyörivissä kosketuskohdissa (esim. rullalaakerit, vaihteistojen hampaat) elastisuus ja nesteen painekiristyminen vaikuttavat kalvon paksuuteen.

Voiteluaineiden tyypit

• Nesteet – mineraali- tai synteettiset öljyt, joita käytetään moottoreissa, vaihteistoissa, hydrauliikassa ja laakereissa.
• Rasvat – öljy + paksunnin (esim. lipeä, bentsoatti tai polyurea). Rasvat pysyvät paikoillaan paremmin ja soveltuvat laakerointiin ja tiivistyskohtiin.
• Kiinteät voiteluaineet – grafiitti, molybdeendisulfiidi (MoS2), PTFE ym., käytetään korkeissa lämpötiloissa tai paikoissa, joissa nestettä ei voi käyttää.
• Kaasuvoitelu – esimerkiksi ilmalla toimivat laakerit ja ilmarajat; osa erikoissovelluksista hyödyntää kaasun ohuutta ja puhtautta.

Voiteluaineiden keskeiset ominaisuudet

• Viscositeetti (säätöominaisuus) – vaikuttaa kalvon paksuuteen ja virtaavuuteen. Korkea viskositeetti voi antaa paksumman kalvon mutta lisää kitkaa pienillä nopeuksilla.
• Viscositeetin lämpötilakerroin (viscosity index) – kertoo, miten viskositeetti muuttuu lämpötilan mukana.
• Filminkestävyys ja puristuslujuus – kyky kantaa pistekuormia ja estää oikosulkeuma metallipintojen välillä.
• Hajoamis- ja oksidaatiokestävyyys – pitkäikäisyys kuumissa ja hapettavissa olosuhteissa.
• Lisäaineet – antiwear (AW), extreme pressure (EP), dispergaattorit, detergents, ruosteenestoaineet, vaahdonestoaineet ja tiivistäjät parantavat suorituskykyä tietyissä olosuhteissa.

Käytännön sovellukset ja esimerkit

• Teollisuus: laakerit, vaihteistot, hydraulijärjestelmät, ketjut ja hammaspyörät — oikea voitelu pidentää komponenttien käyttöikää ja vähentää seisokkeja.
• Ajoneuvot: moottoriöljy, vaihteistoöljy ja pyörännavarasvat varmistavat moottorin, vaihteiston ja pyörien pitkänikäisyyden.
• Työkalut ja leikkaus: leikkuunesteet toimivat voiteluaineena ja jäähdyttäjänä, vähentäen lämpenemistä ja työkalun kulumista.
• Erikoissovellukset: ilmarajat, sähkömekaniikka ja tarkat instrumentit käyttävät usein erittäin ohuenkalvoista tai kiinteää voitelua.
• Biologiset esimerkit: kuten mainittu, kyynelten voitelu silmässä ja nivelneste nivelissä ovat luonnollisia voitelujärjestelmiä, jotka estävät kulumista ja pitävät pinnat liukkaina.

Voitelun valinta ja huolto

Voitelua valittaessa huomioidaan kuorma, nopeus, lämpötila, ympäristöolosuhteet, yhteensopivuus tiivisteiden ja materiaalien kanssa sekä huoltotarve. Käytännön neuvoja:

• Tarkista ja noudata valmistajan suosituksia viskositeetistä ja lisäaineista.
• Pidä voitelujärjestelmät puhtaina – epäpuhtaudet ovat yleisin kulumisen syy.
• Suunnittele voitelun tarkastus- ja vaihtovälit osien kuormituksen mukaan.
• Varastoi voiteluaineet oikein: kuivassa, viileässä ja valolta suojattuna.

Testaus ja laadunvalvonta

Voiteluaineiden suorituskykyä mitataan mm. viskositeettimittauksilla, nelipallon- tai Timken-kokeilla (kulutuksen ja EP-ominaisuuksien arviointi), hapettumiskokeilla sekä saastetustesteillä. Näiden avulla voidaan varmistaa, että aine toimii suunnitelluissa olosuhteissa.

Ympäristö ja turvallisuus

Voiteluaineiden oikea käsittely ja kierrätys ovat tärkeitä ympäristön ja turvallisuuden kannalta. Synteettiset ja biologisesti hajoavat voiteluaineet voivat vähentää ympäristövaikutuksia tietyissä sovelluksissa. Käytetyt öljyt ja rasvat tulee toimittaa asianmukaisiin vastaanottopisteisiin; älä kaada viemäriin.

Yhteenveto

Voitelu on keskeinen osa koneiden, laitteiden ja myös biologisten järjestelmien toimintaa. Oikean voitelumenetelmän ja -aineen valinta, säännöllinen huolto sekä puhtaus pidentävät laitteiden käyttöikää, vähentävät energiankulutusta ja ehkäisevät rikkoutumisia.

Hae kirjaimella