Tulosta Tulosta Lähetä linkki Bookmark and Share

VTT: Uusi kitkateknologia mahdollistaa huomattavat energia- ja kustannussäästöt

11.02.2009


Kitka aiheuttaa sekä kustannuksia että päästöjä. On arvioitu, että teollisuusmaiden tuotannosta peräti 30 prosenttia käytetään kuluneiden osien korvaamiseen. Maailman energiasta yli kolmasosa käytetään kitkan voittamiseen. Pelkästään Suomessa voitaisiin säästää energiaa yhden ydinvoimalan vuosituotannon verran hyödyntämällä uusinta kitkateknologiaa.

Kitkan ja kulumisen aiheuttamat kustannukset ovat merkittävät maailmanlaajuisesti. Kitkan ja kulumisen aiheuttamat taloudelliset menetykset ovat 1–2 prosenttia bruttokansantuotteesta eri maiden selvitysten mukaan. Kitkan ja kulumisen vähentäminen moottoreissa ja voimansiirrossa säästäisi USA:ssa 120 miljardia dollaria vuodessa.

Kitka ja siitä aiheutuva koneenosien kuluminen ja lopulta rikkoutuminen voivat pysäyttää kokonaisia tuotantolaitoksia pitkäksikin aikaa. Seisokista aiheutuvat kustannukset voivat olla melkoiset. Esimerkiksi hiilivoimalan viikon seisokkikulujen arvioidaan olevan 800 000 euroa, paperi- ja sellutehtaan 1,5 miljoona euroa ja ydinvoimalaitoksen 2,2 miljoonaa euroa.

Kitka ja kuluminen ovat myös energiankulutuksen takia ilmastonmuutokseen vaikuttavia päästölähteitä. Uusilla teknologisilla kitkaratkaisuilla voitaisiin liikenteen ja teollisuuden hiilidioksidipäästöjä pienentää 2–10 prosenttia. Pelkästään auton renkaiden vierintävastuksen osuus polttoainekulutuksesta on 20 prosenttia.

Kitkan ja kulumisen ongelmiin löytyy teknologisia ratkaisuja, joilla voidaan säästää energiaa ja parantaa materiaalien kestävyyttä. Näitä ongelmia ja ratkaisuja tutkivaa tiedettä ja teknologiaa kutsutaan tribologiaksi. Tribologian tutkimuskohteena ovat kosketuksissa olevat liikkuvat pinnat.

VTT:llä on kehitetty teknologisia ja materiaaliratkaisuja kitkan pienentämiseen. VTT soveltaa uusinta mallintamistekniikkaa pinnan säröilyn ja murtumisen estämiseen sekä optimaalisten mekaanisten pintaominaisuuksien, pinnoitteen paksuuden ja kiinnipysyvyyden määrittämiseen.

Koneet toimivat hiustakin hienomman kalvon varassa

Koneiden kitkaa ja kulumista hallitaan kalvoilla tai pinnoitteilla. Yleinen voitelukalvo kahden liikkuvan pinnan välillä on esimerkiksi öljy. Koneet toimivatkin usein hiuksiakin hienompien kalvojen varassa. Nämä kalvot erottavat materiaaleja hankaamasta toisiaan ja siten estävät kitkaa ja kulumista.

Kaikkein kestävimpiä ja kitkattomimpia pinnoitteita ovat lähes kitkaton hiilipinnoite, timantin kaltainen pinnoite ja molybdenidisulfidi-pinnoite. Yleinen kitkaa estävä pinnoite on teflon-pinnoite, jota käytetään mm. kattiloissa ja paistinpannuissa.

Moniin kitkaa ja kulutusta aiheuttaviin ongelmiin löytyy helpostikin ratkaisu. Autonrenkaiden vierintäkitkaa voi vähentää kovemmilla renkailla, korkeammilla rengaspaineilla, pehmeämmällä jousituksella ja alemmilla ajonopeuksilla. Moottoreiden kitkaa voi vähentää esimerkiksi uusilla öljyjen lisäaineilla ja vähäkitkaisilla pinnoitteilla, kuten timantin kaltaisella pinnoitteella. Kulutustuotteiden kestoikää voi pidentää materiaaliratkaisuilla ja kulutusta kestävillä pinnoitteilla. Suunnittelulla voidaan alentaa merellä liikkuvan laivanrungon ja veden kohtaamisesta syntyvää kitkaa. Tehtaiden kuljetusradoilla, mineraalin käsittelyssä, sekoittimissa, puhaltimissa, pumpuissa ja säätöventtiileissä syntyvää kitkaa lievittävät puolestaan materiaalivalinnat, voitelu ja suunnittelu.

Tietokonemalleista apu ratkaisuun

Kitka ja kuluminen eivät ole pelkkiä materiaalien ominaisuuksia, joihin löydettäisiin ratkaisu valitsemalla esimerkiksi kovempi materiaali. Kitka ja kuluminen syntyvät materiaalien välisestä kosketustilanteesta, johon vaikuttaa monta muuttujaa. Näitä ovat kosketus, kuormat, nopeudet, pintojen ja perusmateriaalien kovuudet, kimmoisuudet, sitkeydet, kemialliset ominaisuudet ja voitelu sekä vallitsevat ympäristötekijät, kuten lämpötila, kosteus, epäpuhtaudet ja säteily.

Kosketuskohdan tarkat tietokonemallit ja syntyvien voimien, jännityksien, muodonmuutosten ja venymien simulointi auttavat kitkaan ja kulumiseen vaikuttavien tärkeimpien muuttujien määrittämistä ja niiden vuorovaikutuksien laskemista.

Toimivalla tietokonemallilla voidaan nopeasti, luotettavasti ja tarkasti laskea eri muuttujien vaikutusta kitkaan ja kulumiseen ja löytää siten ratkaisu. Tietokonemallien vastaavuus todellisuuden kanssa varmistetaan vertaamalla niitä laboratoriossa tehtyihin kokeellisiin mittauksiin.

VTT:n kitkalaboratorio on maailman huipputasoa. Siellä mitataan kitkaa ja kulumista sekä kuivana että voideltuna tarkasti hallituissa laboratorio-olosuhteissa.


Lisätietoja

Kenneth Holmberg
Tutkimusprofessori
040 544 2285

 

 

Lisätietoja

Kenneth Holmberg
Tutkimusprofessori
040 544 2285