Ventil 4 / 2024 • Letnik 30 226 HIDRAVLIČNE KOMPONENTE 1 Uvod Hidravlični sistemi so široko uporabljani tehniški sistemi v industriji. Omogočajo velike sile, togost in dobro vzdržljivost uporabe. Eden izmed glavnih izzivov trajnostne hidravlike je povečati učinkovi- tost hidravličnih komponent. To je pogosto prive- dlo do razvoja novih komponent ali uporabe novih materialov in tehnologij mazanja [1]. V zadnjem desetletju so bile izvedene številne študije o tri- boloških lastnostih različnih naprednih polimernih kompozitov [2, 3]. Njihove tribološke lastnosti je mogoče izboljšati z različnimi funkcionalnimi pol- nili. Tako bi jim lahko podaljšali uporabno dobo ali dodatno zmanjšali trenje in obrabo ter izboljša- li odziv pri večjih obremenitvah, drsnih hitrostih, tlakih ali temperaturah [10]. Polimeri so se izka- zali kot odlična alternativa klasičnim komponen- tam iz jekla v različnih industrijskih aplikacijah za zobnike, črpalke, hidravlične valje, tesnila, ležaje itd. [4–7]. V primerjavi s tradicionalno uporablja- nimi jeklenimi zlitinami je razmerje med trdnostjo in gostoto ojačanih polimernih kompozitov do 13,5-krat večje od jekla [8]. Uporaba polimerov in polimernih kompozitov z nizko specifično težo in visoko trdnostjo namesto kovin za izdelavo raz- ličnih fluidnih pogonskih elementov in komponent ima velik potencial za zmanjšanje teže komponent in izgub energije. V nedavni študiji je bil izdelan prototip hidravličnega valja iz kompozitne struk- ture s 57 % nižjo težo, medtem ko je ohranil enako zmogljivost kot običajni kovinski hidravlični valj [7]. Raziskave kažejo, da bi lahko uporaba ome- njenih inovativnih materialov in rešitev v 15 letih zmanjšala izgubo energije zaradi trenja in obrabe za približno 40 % [2]. Od ultravisoko zmogljivih polimerov do dostopnih polimerov se mehanske lastnosti spreminjajo v na- sprotju s ceno polimera (lastnosti reprezentativnih polimerov iz posameznih skupin so primerjane z nerjavnim jeklom AISI 440 C [2, 9–11] v pregledni- ci 1). Elementi, narejeni iz naprednih kompozitov, delujejo z različnimi mazivi, kot so hidravlična olja, voda, emulzije, nano- in ionske tekočine [12, 13]. Najbolj pogosto je raziskan visoko zmogljivi PEEK (polyetheretherketone) z različnimi dodatki (oglji- kova vlakna, steklena vlakna, grafit, polytetrafluo- roethylene – PTFE itn …) v suhem, olju in vodi. Po lastnostih in ceni mu sledijo tudi visoko zmogljivi Dr. Ana Trajkovski, univ. dipl. inž., Nejc Novak, mag., Jan Pustavrh, mag., prof. dr. Mitjan Kalin, univ. dipl. inž., izr. prof. dr. Franc Majdič, univ. dipl. inž., vsi Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo p rEdnost uporabE inžEnirskih polimErov za trajnostnE hidravličnE komponEntE Ana Trajkovski, Nejc Novak, Jan Pustavrh, Mitjan Kalin, Franc Majdič Izvleček: Inženirski polimeri so dokazali, da imajo zelo obetavne tribološke lastnosti in uspešno sledijo visoko zmo- gljivim termoplastom. V naših raziskavah smo preizkušali in analizirali polioksimetilen (POM) za zelo zah- tevne delovne pogoje hidravličnih vklopno-izklopnih ventilov. Testirali smo čisti POM in POM, ojačan s 30 % ogljikovih vlaken (POM CF30), v standardnem mineralnem hidravličnem olju ISO VG 46, raztopini glicerola in vode in demineralizirani vodi pri sobni ter povišani temperaturi. Rezultati so pokazali zelo nizek koeficient trenja (od 0,027 do 0,033) in specifične obrabe (~10 –7 mm 3 /Nm) v mešanici glicerola in vode, primerljivo z vrednostmi, izmerjenimi v hidravličnem olju, in nižjo od izmer- jenih v vodi (koeficient trenja ~0,14, specifična obraba (~10 –6 mm 3 /Nm) pri sobni temperaturi. Pri povišani temperaturi se koeficient trenja v hidravličnem olju in raztopini glicerol-voda nekoliko poveča, v vodi pa zmanjša in vrednosti postanejo primerljive za vsa maziva. Na podlagi rezultatov sta tako polioksimetilen kot mešanica glicerola in vode lahko dobra alternativa za standardno hidravlično olje in jeklene tribološke pare, kar vodi do odličnih triboloških lastnosti ob zmanjšanju mase komponent. Ključne besede: polimer, polioksimetilen, glicerol, voda, hidravlično olje, trenje, obraba, hidravlika Ventil 4 / 2024 • Letnik 30 (polyphenylenesulphide) PPS in njegovi kompoziti [14–19]. Polioksimetilen (POM) je eden izmed in- ženirskih polimerov »srednjega razreda«, katerega cena je do 10-krat nižja v primerjavi z ultravisoko zmogljivimi polimeri. Ima majhno specifično težo in nizko absorpcijo vode ter dobre tribološke la- stnosti. Zato je eden najpogosteje uporabljenih inženirskih polimerov [4, 10]. Uspešno lahko sledi zmogljivosti PPS (polifenilensulfida) in PEEK (po- lietereterketona), kadar se uporablja za gerotor motorje ali celo sledi učinkovitosti klasičnega ko- vinskega varnostnega ventila [5]. V naši nedavni študiji je POM, ojačan z ogljikovimi vlakni, dal pri- merljive rezultate s štirimi različnimi visoko zmo- gljivimi polimernimi kompoziti v čistem glicerolu in vodi [20]. Mineralno hidravlično olje je običajno uporablja- no mazivo oziroma pogonski medij za hidravlične stroje in naprave. Velika slabost trenutno še vedno najbolj razširjene oljne hidravlike pa je nevarnost onesnaževanja okolja pri naključnem izteku olja, ki ga ni mogoče kontrolirati, niti uporabljenega olja efektivno ponovno uporabiti ali skladiščiti. Zato da- nes postajajo zelena maziva obvezna v ladijskih in gozdarskih strojih in so zaželena v različnih vrstah mobilnih strojev in še dalje v industriji [21]. Okolju prilagojena maziva, kot so rastlinska olja, sintetični estri, polialfaoleini, poliglikoli in voda, kažejo nizko toksičnost ter odlično biološko razgradljivost [22]. Najstarejši odgovor na vprašanje o trajnostnih ma- zivih je uporaba čiste vode ali vode z različnimi dodatki, ki lahko popravijo izjemno nizek koefi- cient trenja viskoznosti vode in težave s korozijo [23, 24]. Vendar pa je razpoložljivost hidravličnih komponent za vodno hidravliko omejena zlasti za- radi zelo nizke viskoznosti vode (100-krat nižja v primerjavi s tradicionalnimi mineralnimi baznimi olji) in potrebe po korozivni odpornosti upora- bljenih materialov [23]. To pa močno omejuje in povečuje ceno uporabe vodne hidravlike. Trenutni stroški komponent iz nerjavnega jekla od 3- do 4-krat presegajo ceno standardnih oljnih hidravlič- nih komponent [5, 13]. Glicerol je še ena zanimiva biokompatibilna alternativa, ki je glavni stranski produkt pri proizvodnji biodizla [25]. Čeprav ima dobre mehanske in tribološke lastnosti, ima tudi skoraj 20-krat večjo viskoznost v primerjavi s tra- dicionalnimi mineralnimi baznimi olji [26]. Tako vi- soka viskoznost ni posebej zaželena, ker so večje izgube energije zaradi potrebe po več energije za premagovanje debelejšega mazalnega filma. To ima za posledico degradacijo maziva in morebitno zgodnjo odpoved elementov oziroma komponent ali sistema. Vendar pa se glicerol odlično raztopi v vodi in tako je visoko zmrzišče glicerola [27, 28], debelino filma in viskoznost mogoče nadzorovati z ustrezno količino vode. Doslej so bile študije osre- dotočene predvsem na uporabo vodnih raztopin glicerola v običajnih kontaktih jeklo-jeklo. Le ne- kaj študij obravnava sočasno uporabo polimernih kompozitov in glicerola ali podobnih zelenih maziv [20, 29]. V naši nedavni študiji smo primerjali pet različnih polimernih kompozitov [20]. Glicerol se je izkazal kot odlično mazivo, zlasti za tri polimere z višjo trdoto. Namen te študije je analizirati tribološke lastnosti komercialno dostopnega čistega POM-a in POM-a, ojačanega s 30 % ogljikovimi vlakni (POM CF30), v drsnem paru polimer-jeklo v standardnem mine- ralnem hidravličnem olju ISO VG 46, demineralizi- rani vodi ter raztopini glicerola in vode. Primerjali in analizirali bomo njihove tribološke lastnosti pri različnih delovnih temperaturah (sobni in poviša- ni), kot se pričakuje v hidravličnih aplikacijah. 2 Materiali in metode 2.1 Preizkušanci Za tribološke teste tipa »kroglica-disk« smo pripra- vili vzorce čistega POM-a in POM-a, ojačanega s 30 % ogljikovih vlaken (POM CF30). Polimerne vzorce smo izrezali iz komercialno dostopne pali- ce s premerom 30 mm na debelino 6 mm. Vzorce smo polirali v več korakih z avtomatsko napravo za poliranje in pripravo vzorcev (RotoPol-21, RotoFor- ce-3) do končne hrapavosti R a = 0,1 µm. Kroglica, uporabljena tekom recipročnega tribološkega te- stiranja, je bila standardna kaljena ležajna kroglica premera 25 mm, izdelana iz nerjavnega jekla AISI 440-C. Pred vsakim testom smo polimerne vzorce, kroglico, prijemala ter banjico očistili z medicinskim bencinom, etanolom in posušili v toku zraka. HIDRAVLIČNE KOMPONENTE 227 Preglednica 1 : Mehanske lastnosti polimerov v primerjavi z jeklom Material Gostota ρ [g/cm 3 ] Modul elastičnosti E [GPa] Natezna trdnost Rm [MPa] Trdota [HV] Nerjaveče jeklo AISI 440-C 7,67 200 760–1960 ~695 Ultravisoko zmogljivi (PEEK) ~1,32 ~4,2–8,1 ~110 do 250 Visoko zmogljivi (PPS) ~1,43 ~3,3–4,4 ~75 do 220 Inženirski (POM, UHMWPE, PA) ~1,13–1,5 ~1,7–3,3 ~40–80 do 120 Dostopni (PE, PTFE) ~2,18 ~0,5 ~10 do 100 Ventil 4 / 2024 • Letnik 30 228 HIDRAVLIČNE KOMPONENTE 2.2 Mazivo V študiji smo uporabili tri različna maziva. Prvo ma- zivo je bilo komercialno dostopno, najpogosteje uporabljeno mineralno hidravlično olje ISO VG 46. Drugo mazivo je bila mešanica glicerola in vode. Na podlagi naših predhodnih študij smo dokazali, da z dodajanjem do 40 % vode v mešanici glicerola in vode ohranimo dobre mazalne lastnosti čistega glicerola [30]. Za pripravo maziva mešanice 40 % glicerola in 60 % vode (G + V) smo uporabili komer- cialno dostopen redestiliran glicerol z vsebnostjo glicerola ≥99,5 %. Kot tretje referenčno mazivo je bila uporabljena demineralizirana voda (V). Lastno- sti izbranih maziv so bile določene z avtomatskim viskozimetrom SVM 3001 (Anton-Paar). Lastnosti so predstavljene v preglednici 2. 2.3 Tribološki testi Tribološke teste smo izvajali na visokofrekvenčnem tribometru Cameron-Plint TE 77 (slika 1). Med pre- skusom jeklena ležajna kroglica recipročno drsi po polimerni plošči v obliki diska. Povprečna hitrost drsenja je bila nastavljena na 0,2 m/s (frekvenca 40 Hz) z dolžino giba 2,4 mm. Normalna obremenitev je bila nastavljena na 50 N (največji Hertzov tlak pa med 90 MPa in 150 MPa). Pred vsakim preizkusom smo vzorce polimera v celoti potopili v izbrano mazivo. Vzorec je bil postavljen v banjico z mazi- vom, pod katero pa je bil grelni element za nadzor in ohranjanje konstantne temperature med presku- som (pri povišani temperaturi 80 °C). Posebna po- zornost je bila namenjena vzdrževanju konstantne ravni maziva med testom, tako da je bil tribološki par vedno popolnoma potopljen v izbrano mazivo. Po vsakem preizkusu je bilo na kroglici označeno kontaktno drsno območje. Med preizkusi se je samodejno beležila trenutna vrednost koeficienta trenja. Vsak test je trajal 90 minut oziroma 216.000 ciklov, in sicer na podlagi preliminarnih testov, ki so pokazali, da se v tem času doseže stabilna vrednost koeficienta trenja. Vsako meritev smo ponovili trikrat, za primerjalno analizo pa smo uporabili povprečno vrednost ustaljenega koeficienta trenja. 2.4 Analiza obrabne površine Volumen obrabe polimernih diskov je bil izračunan iz dimenzij obrabnih sledi, ki so bile po triboloških testih izmerjene s 3D digitalnim mikroskopom z do- datnim nanotočkovnim konfokalnim profilometrom Hirox HRX-01 & NPS. Za vsako kaloto smo določili 3D-profil, iz katerega smo s programsko opremo Mountain Map odčitali dimenzije obrabne kalote in karakteristične prereze na več značilnih mestih vzdolž profila obrabne sledi [20]. Postopek je pri- kazan na sliki 2. Digitalni mikroskop je omogočil tudi določitev oblike in dimenzij površinskih filmov na jekleni kroglici. Preglednica 2 : Lastnosti uporabljenih maziv Mazivo Kinematična viskoznost [mm 2 /s] pri 25 °C Kinematična viskoznost [mm 2 /s] pri 80 °C Gostota [g/cm 3 ] pri 25 °C Gostota [g/cm 3 ] pri 80 °C ISO VG 46 100 9 0,86 0,85 40 % glicerola in 60 % vode (G + V) 11,59 2,19 1,17 1,12 Demineralizirana voda (V) 0,89 0,36 0,99 0,97 Slika 1 : Tribološko preizkuševališče Slika 2 : Postopek za analizo obrabe s 3D digitalnim mikroskopom: a) 3D-profil obrabljenega volumna, b) merjenje površine prečnega prereza na določenem mestu Ventil 4 / 2024 • Letnik 30 3 Rezultati 3.1 Trenje Potek koeficienta trenja pri posameznih materialnih parih med opravljenimi meritvami je prikazan na sli- ki 3 in sliki 4. Pri mazanju z mineralnim oljem ISO VG 46 in ločeno mazano z mešanico glicerola in vode (G + V) koeficient trenja doseže stabilno vrednost zelo hitro, v prvih 100 sekundah testa ne glede na temperaturo. Krivulje, izmerjene za POM, sledijo vrednostim, izmerjenim za ojačani POM CF30. Koeficient trenja, izmerjen v vodi, narašča v prvih 1000 sekundah za POM in približno 3000 sekun- dah za ojačani POM CF30. Izmerjene vrednosti za ojačani POM CF30 so precej višje in nestabilne v primerjavi s čistim POM, še bolj pa v primerjavi z meritvami pri drugih dveh mazivih; vse troje pri sobni temperaturi. Glede na rezultate meritev mešanica G + V omo- goča dober mazalni film, primerljiv s hidravličnim oljem, in sicer na sobni in povišani temperaturi. Povečanje izmerjenega povprečnega koeficienta trenja, opaženo v vodi, kaže, da voda ni učinkovito ločila kontaktnih površin polimernih ploščic in je- klene kroglice. Fluktuacije, opažene v primeru POM CF30, kažejo, da ojačitve vnašajo dodatne nestabil- nosti v opazovanih pogojih obrabe. Povprečne vrednosti ustaljenega koeficienta v olju ISO VG 46, raztopini glicerola in vode G + V ter de- mineralizirani vodi so prikazane na sliki 5. Rezultati so pokazali primerljive in nizke vrednosti koeficien- ta trenja 0,033 in 0,027 v primeru POM CF30 oziro- ma 0,031 in 0,032 v primeru POM v olju in raztopini G + V pri sobni temperaturi (slika 5a). Izmerjene vrednosti koeficienta trenja so v vodi pri sobni tem- peraturi do 6-krat višje za POM CF30 oziroma 3,5- krat višje za POM (slika 5a) v primerjavi z izmerjeni- mi v olju in raztopini G + V. S slike 5b je tudi razvidno, da so izmerjene vredno- sti koeficientov trenja v vseh mazivih primerljive pri višji temperaturi. Za ojačani POM CF30 pride do manjšega zvišanja (10 %) v olju in raztopini G + V ter do značilnega znižanja v vodi (4-krat) v primer- javi z meritvami na sobni temperaturi. V primeru POM se koeficient trenja nekoliko poveča pri višji temperaturi v olju (približno 50 %), v raztopini ne- koliko zniža (10 %) ter značilno zniža v vodi (2-krat) v primerjavi z meritvami na sobni temperaturi. Najnižji koeficient trenja je izmerjen v raztopini G + V na obeh temperaturah za čisti POM in ojačani POM CF30. HIDRAVLIČNE KOMPONENTE 229 Slika 3 : Krivulje poteka koeficienta trenja kot funkcija časa drsenja v tribološkem kontaktu, mazano z: a) oljem ISO VG46; b) raztopino glicerola in vode (G + V); c) demineralizirano vodo (V); vse troje pri sobni temperaturi Slika 4 : Krivulje poteka koeficienta trenja kot funkcija časa drsenja v tribološkem kontaktu, mazano z: a) oljem ISO VG 46; b) raztopino glicerola in vode (G + V); c) demineralizirano vodo (V); vse troje pri povišani temperaturi (80 °C) Ventil 4 / 2024 • Letnik 30 230 HIDRAVLIČNE KOMPONENTE 3.2 Obraba Na podlagi izmerjenih dimenzij obrabnih kalot vzdolž 3D-profila polimernih vzorcev smo izraču- nali specifično obrabo v primeru uporabe hidravlič- nega olja ISO VG 46, raztopine G + V in deminera- lizirane vode kot maziva. Rezultati so prikazani na sliki 6. Specifična obraba je tako kot koeficient trenja pri- merljiva pri uporabi hidravličnega olja ISO VG 46 in raztopini G + V. Večina vrednosti za POM CF30 je v področju 10 –7 mm 3 /Nm za mazivi ISO VG 46 in G + V pri sobni temperaturi. Za čisti POM je obraba nekoliko nižja, in sicer v področju približno 3 x 10 –8 mm 3 /Nm prav tako pri sobni temperaturi. Specifič- na obraba pri obeh mazivih (ISO VG 46 in G + V) je nižja od izmerjene v vodi (~3 x 10 –6 mm 3 /Nm za oja- čani POM CF30 ter ~1 x 10 –7 mm 3 /Nm za čisti POM) pri sobni temperaturi. Specifična obraba se je v hidravličnem olju (ISO VG 46) in raztopini G + V pri povišani temperaturi (T = 80 ºC) znatno povečala in postala primerljiva s specifično obrabo, izmerjeno v vodi (reda velikosti ~x 10 –6 mm 3 /Nm). 3.3 Površinska analiza Izbrane obrabljene kalote polimernih vzorcev so predstavljene na slikah 7 in 8, narejenih z digital- nim mikroskopom. Kalota ojačanega POM CF30 je podobna po obliki in velikosti (širina ~900 µm, dolžina ~3500 µm) v olju ISO VG 46 (slika 7 I a) in raztopini G + V (slika 7 I b). Obrabna sled je pri povišani temperaturi le približno 2-krat širša (širina ~1400 µm) (slika 7 II a in b). Mehanizmi obrabe v olju in mešanici G + V so podobni, mazi- va tvorijo dovolj debel film za ločevanje površin v stikih. Najožja obrabna sled je opažena pri olju pri sobni temperaturi (~936 µm, slika 7 I a). Obrabna sled ni bistveno širša v mešanici glicerola in vode (~8 % povečanje) pri sobni temperaturi, čeprav so opazne raze vzdolž smeri drsenja, zlasti na sre- dini obrabne brazgotine (slika 7 I b). V primeru demineralizirane vode pri sobni temperaturi se poveča širina obrabne kalote (~2,5-kratno pove- čanje) kot tudi število in intenzivnost raz (slika 7 I c). Pri povišani temperaturi (T = 80 °C) sta obrabljeni površini v povprečju za 50 % širši pri približno enaki dolžini (sliki 7 II a in 7 II b) v olju in raztopini G + V. Čeprav raze v vodi postanejo in- tenzivnejše, se širina obrabne kalote bistveno ne spremeni (slika 7 II c). Slika 5 : Koeficient trenja polimera v olju ISO VG46, raztopini glicerola in vode (G + V) in demineralizirani vodi a) pri sobni temperaturi; b) povišani temperaturi Slika 6 : Specifična obraba polimera v olju ISO VG46, raztopini glicerola in vode (G + V) ter demineralizirani vodi a) pri sobni temperaturi; b) pri povišani temperaturi Ventil 4 / 2024 • Letnik 30 Obrabna kalota POM (slika 8) je zelo podobna po obliki in velikosti ojačenemu POM CF30. Dolžina obrabne sledi (~3300 µm) je podobna pri vseh ma- zivih in pri vseh testiranih pogojih. Najožja obrab- na sled je bila opažena v olju pri sobni temperaturi (~823 µm, slika 8 I a). Obrabna sled ni bistveno širša v raztopini G + V pri sobni temperaturi, čeprav so tudi tukaj opazne raze vzdolž smeri drsenja (slika 8 I b). V primeru čiste vode pri sobni temperaturi se je širina obrabe koloteka povečala (~66,5 % pove- čanje). Število in intenzivnost raz sta bistveno večja (slika 8 I c). Pri povišani temperaturi ni pomembne razlike v širini obrabne sledi med različnimi upora- bljenimi mazivi (~1600 µm, slika 8 II a–c). Vendar so raze vzdolž smeri drsenja manj globoke in inten- zivne v raztopini G + V (slika 8 II b), v primerjavi z oljem (slika 8 II a) ali demineralizirano vodo (slika 8 II c). To se ujema z najmanjšo specifično obrabo v raztopini G + V pri povišani temperaturi in relativno majhnimi razlikami, izmerjenimi med mazivi. 4 Zaključek V tej študiji smo analizirali prednost uporabe ce- novno dostopnega inženirskega čistega polimera POM v primerjavi s polimerom, ojačanim z ogljiko- vimi vlakni (POM CF30). Preizkusi so bili opravljeni v hidravličnem olju ISO VG 46, raztopini glicerola in vode (G + V) kot zelenega maziva ter v deminera- lizirani vodi kot najbolj razširjenem zelenem bazič- nem mazivu. Preizkusi so bili izvedeni s parametri (hitrost, drsna pot, obremenitev, temperatura), ki ustrezajo drsniškim vklopno-izklopnim ventilom in glede na omejitve eksperimentalne opreme. V tej študiji smo preizkusili glicerol kot alternativ- no mazivo. Glicerol ima zelo visoko viskoznost, ki je nezaželena za hidravlične aplikacije, a jo je v vo- dni raztopini relativno lahko nadzorovati. V naših dosedanjih raziskavah smo preizkusili različne vo- dne raztopine glicerola in našli ugodno razmerje za ohranjevanje dobrih mazalnih lastnosti [30]. Rezultati študije kažejo nizke vrednosti koeficienta trenja POM CF30, ko se mešanica G + V uporablja kot mazivo, pri sobni temperaturi in povišani tem- peraturi. Vrednosti koeficienta trenja so bile po- dobne v raztopini G + V in v hidravličnem olju ISO VG 46. Pri sobni temperaturi je bil koeficient trenja v vodi do 6-krat višji kot v olju in raztopini G + V. Pri povišani temperaturi pa razlika ni bila očitna, čeprav je bila najmanjša vrednost izmerjena v raztopini G + V (0,03). Tudi specifična stopnja obrabe je bila nižja v raztopini G + V in hidravličnem olju, zlasti pri sobni temperaturi (~10 –7 mm 3 /Nm). Pri primerja- vi raztopine G + V in hidravličnega olja z vodo kot mazivom smo izmerili za red velikosti večjo speci- fično stopnjo obrabe. Pri višjih temperaturah se je razlika med mazivi zmanjšala. Polarnost maziva in združljivost s testiranim polimerom je zelo pomem- ben vidik pri analizah. Absorpcija maziva lahko povzroči povečanje dejanske kontaktne površine, kar je posledica plastične deformacije polimera in zmanjšanja modula elastičnosti [31]. Zato je treba podrobneje raziskati interakcijo med polimerom in mazivi, zlasti pri različnih režimih obremenitve. V primerjavi z meritvami čistega POM smo opazi- li podoben trend pri izmerjenih koeficientih trenja (vpliv vode kot maziva, vpliv višje temperature), vendar so bile na splošno izmerjene višje vrednosti koeficienta trenja za čisti POM kot za ojačani POM CF30. Nasprotno pa so bile opažene nižje vrednosti specifične obrabe za čisti POM v primerjavi z ojača- nim POM CF30. Ta učinek je verjetno posledica dej- stva, da v primeru ojačanega POM CF30 ogljikova vlakna nosijo večino obremenitve, hkrati pa stanj- šanje ogljikovih vlaken povzroča poškodbo matrike POM CF30 in posledično višjo obrabe [20]. Vendar pa je za podrobnejšo razpravo o razliki potrebna nadaljnja elementarna ali spektroskopska analiza obrabnih površin. HIDRAVLIČNE KOMPONENTE 231 Slika 7 : Obrabne kalote ojačanega POM CF30 v a) olju ISO VG46, b) raztopini glicerola in vode (G + V); c) demineralizirani vodi I) pri sobni temperaturi; II) pri povišani temperaturi Slika 8 : Obrabne kalote POM v a) olju ISO VG46, b) raztopini glicerola in vode (G + V); c) demineralizirani vodi I) pri sobni temperaturi; II) pri povišani tempera- turi Ventil 4 / 2024 • Letnik 30 Uporaba inženirskih polimerov bi potencialno omo- gočila lažje hidravlične komponente z odličnimi tri- bološkimi lastnostmi. Poleg tega bi v kombinaciji z novim tehnologijam 3D-tiska polimerov lahko raz- meroma hitro prišli do izdelave in preizkusa novih prototipov. V naši nedavni študiji smo tribološko primerjali pet različnih polimernih kompozitov [20]. Med opazovanimi kompoziti je POM, ojačan s 30 % ogljikovih vlaken, uspešno sledil visoko zmogljivim PEEK-kompozitom. Na podlagi trenutnih meritev inženirski polimer POM kaže odlične tribološke re- zultate tako v hidravličnem olju kot v raztopini G + V in ga je mogoče obravnavati kot potencialni ma- terial za hidravlične aplikacije, kjer se pričakujeta nizka obremenitev in visoka frekvenca. Viri [1] Deaconescu T, Deaconescu A. Experimental Research on Polymer-Based Coaxial Sealing Systems of Hydraulic Cylinders for Small Displacement Velocities. Polymers 2022, Vol 14, Page 290 2022;14:290. https://doi. org/10.3390/POLYM14020290. [2] Friedrich K. Polymer composites for tribolo- gical applications. Advanced Industrial and Engineering Polymer Research 2018;1:3–39. https:/ /doi.org/10.1016/J.AIEPR.2018.05.001. [3] Kurdi A, Chang L. Recent Advances in High Performance Polymers—Tribologi- cal Aspects. Lubricants 2019, Vol 7, Page 2 2018;7:2. https://doi.org/10.3390/LUBRI- CANTS7010002. [4] Matkovič S, Pogačnik A, Kalin M. Wear-co- efficient analyses for polymer-gear life-time predictions: A critical appraisal of methodo- logies. Wear 2021;480–481:203944. https:// doi.org/10.1016/J.WEAR.2021.203944. [5] Stryczek J, Banaś M, Krawczyk J, Marcini- ak L, Stryczek P. The Fluid Power Elements and Systems Made of Plastics. Procedia Eng 2017;176:600–9. https://doi.org/10.1016/J. PROENG.2017.02.303. [6] Marciniak L, Banaś M, Stryczek J. The Design and Theoretical and Experimental Study of the Plastic Hydraulic Valves. 9th FPNI PhD Symposium on Fluid Power, FPNI 2016 2016. https:/ /doi.org/10.1115/FPNI2016-1511. [7] Li Y , Shang Y , Wan X, Jiao Z, Yu T. Design and experiment on light weight hydraulic cylin- der made of carbon fiber reinforced polymer. Compos Struct 2022;291:115564. https://doi. org/10.1016/J.COMPSTRUCT.2022.115564. [8] Elasswad M, T ayba A, Abdellatif A, Alfayad S, Khalil K. Development of lightweight hydrau- lic cylinder for humanoid robots applications. Https:/ /DoiOrg/101177/0954406217731794 2017;232:3351–64. https://doi. org/10.1177/0954406217731794. [9] Panin S V., Alexenko VO, Buslovich DG. High Performance Polymer Composites: A Role of Transfer Films in Ensuring Tribolo- gical Properties—A Review†. Polymers (Ba- sel) 2022;14:975. https://doi.org/10.3390/ POLYM14050975/S1. [10] Siddiqui MSN, Pogacnik A, Kalin M. Influence of load, sliding speed and heat-sink volume on the tribological behaviour of polyoxyme- thylene (POM) sliding against steel. Tribol Int 2023;178:108029. https://doi.org/10.1016/J. TRIBOINT.2022.108029. [11] tribology-abc 2023. https://www.tribology- -abc.com/ (accessed August 3, 2023). [12] Lovrec D, Kalb R, Tič V. Ionic Hydraulic Fluids and Seal-Material Compatibility. Applied Sci- ences 2024;14:2187. https:/ /doi.org/10.3390/ app14052187. [13] Krawczyk J, Sobczyk A, Styczek J, Walczak P. Tests of New Methods of Manufacturing Elements for Water Hydraulics. Materials Research Proceedings 5, 2018, p. 200–5. https:/ /doi.org/10.21741/9781945291814-35. [14] Yamamoto Y, Hashimoto M. Friction and wear of water lubricated PEEK and PPS sli- ding contacts. Wear 2004;257:181–9. https:/ / doi.org/10.1016/j.wear.2003.12.004. [15] Y amamoto Y , Hashimoto M. Friction and wear of water lubricated PEEK and PPS sliding contacts: Part 2. Composites with carbon or glass fibre. Wear 2004;257:181–9. https:/ /doi. org/10.1016/J.WEAR.2003.12.004. [16] Jain A, Somberg J, Emami N. Development and Characterization of Multi-Scale Carbon Reinforced PPS Composites for Tribological Applications. Lubricants 2019;7:34. https:// doi.org/10.3390/lubricants7040034. [17] Xu H, Feng Z, Chen J, Zhou H. Tribologi- cal behavior of the carbon fiber reinforced polyphenylene sulfide (PPS) composite co- ating under dry sliding and water lubrica- tion. Materials Science and Engineering: A 2006;416:66–73. https://doi.org/10.1016/j. msea.2005.09.094. [18] Zhang D, Qi H, Zhao F, Zhang G, Wang T, Wang Q. Tribological performance of PPS composites under diesel lubrication condi- tions. Tribol Int 2017;115:338–47. https://doi. org/10.1016/j.triboint.2017.05.040. [19] Golchin A, Friedrich K, Noll A, Prakash B. Tribological behavior of carbon-filled PPS composites in water lubricated contacts. Wear 2015;328–329:456–63. https://doi. org/10.1016/j.wear.2015.03.012. [20] Trajkovski A, Novak N, Pustavrh J, Kalin M, Majdič F. Performance of Polymer Com- 232 HIDRAVLIČNE KOMPONENTE Ventil 4 / 2024 • Letnik 30 posites Lubricated with Glycerol and Wa- ter as Green Lubricants. Applied Scien- ces 2023;13:7413. https://doi.org/10.3390/ APP13137413. [21] Deuster S, Schmitz K, Widomski K, Barnat- -Hunek D, Musz-Pomorska A. Bio-Based Hy- draulic Fluids and the Influence of Hydrau- lic Oil Viscosity on the Efficiency of Mobile Machinery Academic Editors: Marcin 2021. https:/ /doi.org/10.3390/su13147570. [22] Hernández-Sierra MT, Bravo-Sánchez MG, Báez JE, Aguilera-Camacho LD, Santos Gar- cía-Miranda J, Moreno KJ. Improvement Ef- fect of Green Lubricants on the Tribological and Mechanical Performance of 4140 Steel n.d. https:/ /doi.org/10.3390/app9224896. [23] Strmčnik E, Majdič F. Comparison of leakage level in water and oil hydraulics. Advances in Mechanical Engineering 2017;9:2017. https:/ / doi.org/10.1177/1687814017737723. [24] Jeng Y-R, Tsai P-C, Chang C-M, Hsu K-F. materials Tribological Properties of Oil-in- -Water Emulsion with Carbon Nanocapsu- le Additives n.d. https://doi.org/10.3390/ ma13245762. [25] Zhang T, Liu C, Gu Y, Jérôme F. Glycerol in energy transportation: a state-of-the-art review. Green Chemistry 2021;23:7865–89. https:/ /doi.org/10.1039/D1GC02597J. [26] Chen Z, Liu Y, Zhang S, Luo J. Controllable superlubricity of glycerol solution via envi- ronment humidity. Langmuir 2013;29:11924– 30. https:/ /doi.org/10.1021/LA402422H. [27] Liu C, Qiao Y, Lv B, Zhang T, Rao Z. Glyce- rol based binary solvent: Thermal proper- ties study and its application in nanoflu- ids. International Communications in Heat and Mass Transfer 2020;112:104491. https:// doi.org/10.1016/J.ICHEATMASSTRANS- FER.2020.104491. [28] Trejo González JA, Longinotti MP, Corti HR. The Viscosity of Glycerol−Water Mixtures Including the Supercooled Region. J Chem Eng Data 2011;56:1397–406. https://doi. org/10.1021/JE101164Q. [29] Somberg J, Saravanan P, Vadivel HS, Ber- glund K, Shi Y, Ukonsaari J, et al. Tribological characterisation of polymer composites for hydropower bearings: Experimentally deve- loped versus commercial materials. Tribol Int 2021;162:107101. https://doi.org/10.1016/J. TRIBOINT.2021.107101. [30] Trajkovski A, Matkovič S, Novak N, Nadeem I, Kalin M, Majdič F. Glycerol aqueous solu- tions for the enhanced tribological behavi- our of polymer composites sliding against steel. Tribol Int 2024;192:109173. https://doi. org/10.1016/j.triboint.2023.109173. [31] Habchi W, Matta C, Joly-Pottuz L, De Barros MI, Martin JM, Vergne P. Full film, boundary lubrication and tribochemistry in steel circu- lar contacts lubricated with glycerol. Tribol Lett 2011;42:351–8. https://doi.org/10.1007/ S11249-011-9778-6/FIGURES/6. HIDRAVLIČNE KOMPONENTE 233 Aadvantages of using engineering polymers for green (efficient) and sustainable hy- draulic components Abstract: Engineering polymers have proven to have very promising tribological properties and successfully follow high-performance thermoplastics. In our research, we tested and analyzed polyoxymethylene (POM) for the very demanding operating conditions of hydraulic on/off valves. We tested POM and POM reinforced with 30 % carbon fiber (PO CF30) in standard ISO VG46 hydraulic oil, glycerol-water mixture and demin- eralized water at room and elevated temperatures. The results showed a very low coefficient of friction (~ 0.027 - 0.033) and specific wear (~ 10 -7 mm 3 /Nm) in the mixture of glycerol and water, comparable to the values measured in standard hydraulic oil and lower than those measured in water (coefficient of friction ~ 0.14, specific wear ~ 10 -6 mm 3 /Nm), at room temperature. At elevated temperature, the coefficient of friction in hydraulic oil and glycerol-water mix- ture increased slightly, while in water decreased, measured values become comparable for all lubricants. The specific wear rate increased significantly in the hydraulic oil and glycerol-in-water mixture at elevated temperature and the values became comparable to the specific wear rates measured in water. Based on the results, both polyoxymethylene and glycerol-water mixture can be good and sustainable alternatives for standard hydraulic oil and steel tribological pairs, leading to excellent tribological properties with a significant reduction in component mass. Keywords: polymer, polyoxymethylene, glycerol, water, hydraulic oil, friction, wear, hydraulics