|
Ciecze hydrauliczne
1. Rodzaje napędów hydraulicznych.
Układy hydrauliczne zawierają ciecz hydrauliczną (zwaną również cieczą roboczą, olejem hydraulicznym lub płynem hydraulicznym), przekazującą energię z generatora do jednego lub kilku odbiorników i ewentualnie pewnej liczby elementów sterowania i regulacji. Do przekształcenia energii, przekazywania i ponownego jej przekształcania we właściwe dla potrzeb użytkownika, różnego rodzaju ruchy urządzeń wykonawczych, służą napędy. W układach hydraulicznych wyróżnia się dwa podstawowe typy napędów:
Napędy hydrokinetyczne, w których jest wykorzystywana energia kinetyczna cieczy:
sprzęgła hydrokinetyczne,
przemienniki hydrokinetyczne, przekładnie hydrokinetyczne, zmienniki momentu
Napędy te, składające się zasadniczo z wirnika silnika i wirnika odbiornika, zamontowanych we wspólnej obudowie, wypełnionej cieczą hydrauliczną, noszą nazwę układów hydrokinetycznych.
Napędy hydrostatyczne, w których energia jest przekazywana poprzez zmiany ciśnienia, bez dużych zmian prędkości cieczy roboczej. Przykładem układu hydrostatycznego jest prasa hydrauliczna, formuła matematyczna jej działania jest opisywana wzorem (1):
F1 : S1 = F2 : S2
gdzie:
F1 - siła na wejściu,
F2 - siła na wyjściu,
S1 - powierzchnia tłoka napędu,
S2 - powierzchnia tłoka roboczego.
Są to napędy, które nazywa się najczęściej układami hydraulicznymi, układami hydrostatycznymi lub obwodami hydraulicznymi. W układach tych elementem generującym jest pompa, a elementami odbierającymi są siłowniki hydrauliczne, które w zależności od wykonywanego ruchu dzielą się na:
cylindry hydrauliczne, zmieniające energię strumienia cieczy w ruch prostoliniowy,
silniki hydrauliczne zmieniające energię strumienia cieczy na ruch obrotowy.
Poszczególne elementy układów hydraulicznych są połączone między sobą przewodami hydraulicznymi, w których przepływa ciecz hydrauliczna. W niniejszym opracowaniu przedstawiono jedynie specyficzną grupę cieczy hydraulicznych, do układów hydrostatycznych.
2. Rola cieczy hydraulicznej.
Ponieważ układy hydrauliczne znalazły liczne efektywne zastosowania, między innymi w przemysłach: samochodowym, lotniczym, metalurgicznym, zbrojeniowym, tworzyw sztucznych, w automatyce, w obrabiarkach, w rolnictwie, w budownictwie, w robotach publicznych i wielu innych; technika ta dokonuje postępu wielkimi krokami. Obecnie stosowane technologie wymagają spełnienia ściśle określonych i coraz ostrzejszych kryteriów w zakresie:
niezawodności i trwałości stosowanych materiałów konstrukcyjnych,
optymalnych parametrów cieczy hydraulicznych,
łatwego dostosowania układów hydraulicznych do różnych maszyn i innych technologii (na przykład elektroniki),
coraz większych przekazywanych mocy (na przykład moc rzędu 1000 kW w napędach wiertniczych),
coraz mniejszego stosunku masy układów hydraulicznych do przenoszonej mocy,
uproszczenia metod kontroli, przy jednoczesnym zwiększeniu ich precyzji,
łatwej i szybkiej konserwacji.
Wszystkie wymienione czynniki stawiają przed cieczą hydrauliczną wymagania, coraz trudniejsze do spełnienia.
3. Funkcje cieczy hydraulicznych
Ciecz hydrauliczna ma za zadanie przenieść energię z napędu hydraulicznego (najczęściej pompy hydraulicznej) do odbiorników (elementów wykonawczych), takich jak: cylindry i silniki hydrauliczne, wykonujących czynności wymagane przez użytkownika. Musi ona również smarować i chronić przed korozją elementy układu hydraulicznego, a także odprowadzać ciepło. W związku z tym, ciecz hydrauliczna w układach hydraulicznych spełnia następujące cztery podstawowe funkcje:
przenoszenie energii i sygnałów sterujących,
smarowanie powierzchni ruchomych,
odprowadzanie ciepła,
uszczelnianie układu.
oraz następujące funkcje dodatkowe:
zmniejszanie zużycia części układu hydraulicznego,
ochrona przed korozją,
zabezpieczenie przed szkodliwym działaniem wody,
zabezpieczenie przed szkodliwym działaniem powietrza.
Funkcje te należy uwzględnić przy wyborze cieczy hydraulicznej. Celem zapewnienia poprawności działania, trwałości i niezawodności układu hydraulicznego, ciecz hydrauliczna musi posiadać pewne podstawowe właściwości, niezbędne dla przekazywania energii, smarowania i ochrony, tj.:
odpowiednią lepkość,
możliwie jak najmniejsze zmiany lepkości w funkcji temperatury (wysoki wskaźnik lepkości),
wymaganą pompowalność w najniższej temperaturze użytkowania,
małą ściśliwość (na przykład: skłonność do wchłaniania powietrza zwiększa ściśliwość),
brak skłonności do pienienia,
szybkie wydzielanie powietrza,
dobre właściwości przeciwzużyciowe,
dobre właściwości przeciwkorozyjne i przeciwrdzewne,
stabilność w czasie pracy, to znaczy odporność na: utlenianie, ścinanie i degradację termiczną.
Pierwszą używaną cieczą hydrauliczną była woda. Powodowała ona wiele niedogodności: korozję, osadzanie się kamienia kotłowego, odparowywanie, miała zbyt małą lepkość, złe właściwości niskotemperaturowe, a przede wszystkim brak niezbędnych właściwości smarnych i przeciwzużyciowych. Aktualnie, jedynie w niewielu pracujących instalacjach przemysłowych jako cieczy hydraulicznej używa się jeszcze wody; generalnie, z dodatkami przeciwkorozyjnymi. Przeważająca większość układów hydraulicznych, stacjonarnych lub przewoźnych, jest napełniona cieczą hydrauliczną, najczęściej będącą uszlachetnionym olejem mineralnym. Jednakże, w niektórych szczególnych przypadkach, kiedy ciecz hydrauliczna musi być trudnopalna, używa się specjalnych cieczy syntetycznych, w niektórych przypadkach z określoną zawartością wody.
4. Podstawowe właściwości fizykochemiczne cieczy hydraulicznych.
W hydraulice przepływ jest odpowiednikiem prędkości w mechanice, natomiast ciśnienie odpowiednikiem siły. W układzie SI jednostkę ciśnienia P stanowi paskal (1 Pa = 1 N/m2). W praktyce przemysłowej jako jednostkę ciśnienia często stosuje się bary: 1 bar = 105.Pa. Jednostką przepływu Q jest metr sześcienny na sekundę (w praktyce: dm3/min lub litr/min).
4.1. Lepkość
Z wielu względów jest pożądanym, aby ciecz w układzie hydraulicznym miała przepływ laminarny, a nie burzliwy. Przepływ laminarny powoduje znacznie mniejsze opory przepływu niż przepływ burzliwy. Jednym z czynników, które decydują czy przepływ cieczy w konkretnym układzie hydraulicznym, będzie laminarny czy burzliwy, jest lepkość cieczy hydraulicznej. Ze względu na znaczenie tej właściwości cieczy hydraulicznej, przypomnijmy podstawowe pojęcia charakteryzujące lepkość.
Lepkość jest miarą tarcia wewnętrznego cieczy. Lepkość wynika z oporów stawianych przez cząsteczki cieczy. Ciecz o małej lepkości stawia przy przepływie mniejsze opory, niż ciecz o dużej lepkości.
Załóżmy, że mamy do czynienia z przepływem laminarnym, a dwie warstwy cieczy o powierzchni S, odległe od siebie o dx, poruszają się jedna z prędkością v, druga z prędkością v+dv. Przemieszczanie względem siebie dwóch warstw cieczy, w celu przezwyciężenia oporów stycznych cieczy, wymaga siły F. Współczynnik proporcjonalności h , pomiędzy naprężeniem stycznym F/S a gradientem prędkości dv/dx, określa się jako lepkość dynamiczną cieczy. Zależność tę wyraża wzór (2).
Zależnością tą są charakteryzowane, tzw. ciecze newtonowskie. Lepkość cieczy newtonowskiej, w danej temperaturze i pod danym ciśnieniem, jest stała.
Lepkość kinematyczną n definiuje się (3) jako stosunek lepkości dynamicznej h cieczy do jej gęstości r :
Jednostkami lepkości układzie SI są:
lepkość dynamiczna: paskalosekunda, Pa . s,
lepkość kinematyczna: metr kwadratowy na sekundę, m2/s; (w praktyce używa się przede wszystkim jednostki 106 razy mniejszej - mm2/s,).
W układzie CGS:
lepkość dynamiczna: puaz, P; (w praktyce używa się przede wszystkim jednostki 100 razy mniejszej zwanej centypuazem - cP),
lepkość kinematyczna: stokes, St; (w praktyce używa się przede wszystkim jednostki 100 razy mniejszej zwanej centystokesem - cSt).
Wzajemne relacje miedzy tymi jednostkami są następujące:
1 P = 10-1 Pa. s,
1 cSt = 1 mm2/s.
Aby przybliżyć te wielkości dodajmy, że w temperaturze 20oC, lepkość kinematyczna wody, wynosi około 1 mm2/s (1 cSt).
4.2. Pomiar lepkości kinematycznej
(ISO 3104, PN-81/C-04011, ASTM D 445, AFNOR T 60100)
Do pomiaru lepkości kinematycznej używa się przeważnie różnego rodzaju lepkościomierzy kapilarnych. Lepkość kinematyczna jest określana na podstawie czasu przepływu, określonej objętości cieczy przez kalibrowaną kapilarę, w ściśle określonych warunkach pomiaru i w ściśle ustalonej temperaturze, zgodnie z wzorem (4):
n = k . t
gdzie:
n - lepkość kinematyczna,
k - stała kapilary,
t - czas przepływu cieczy o określonej objętości, przez kapilarę.
4.3. Zależność lepkości od temperatury
Lepkość olejów mineralnych zmienia się znacznie wraz z temperaturą, ale różnie dla różnych cieczy. Zmiana ta może być przedstawiona przez wzór empiryczny (5), ustalony przez ASTM, zwany również wzorem Walthera:
log10 log10 (n + 0,6) = m log10 (T + q)
gdzie:
n - lepkość kinematyczna, mm2/s,
T - temperatura bezwzględna, K,
m, q - stałe charakterystyczne cieczy .
We współrzędnych logarytmicznych, zależność ta jest linią prostą lub zbliżoną do prostej.
4.4. Wskaźnik lepkości
(ISO 2909, PN-73/C-04015, ASTM D 2270, AFNOR T 60136)
Na ocenę zmiany lepkości w funkcji temperatury pozwala umowna liczba, nazwana wskaźnikiem lepkości (WL lub IV), którą oblicza się na podstawie porównania zmian lepkości serii różnych olejów wzorcowych, jednej o wskaźniku lepkości WL = 0 (oznaczonego symbolem U), drugiej o wskaźniku lepkości WL = 100 (oznaczonego symbolem H). Oleje wzorcowe zostały parami tak dobrane, że ich lepkość w temperaturze 100oC jest jednakowa, taka sama jak oleju badanego. Tak zdefiniowany wskaźnik lepkości, dla olejów o wskaźniku lepkości z przedziału 0 ... 100 wyraża wzór (6):
WL = 100 (L - U)/(L - H)
gdzie:
L - lepkość oleju wzorcowego serii L, w temperaturze 40oC,
H - lepkość oleju wzorcowego serii H, w temperaturze 40oC,
U - lepkość oleju badanego, w temperaturze 40oC,
Dla olejów o wskaźniku lepkości większym niż 100 odpowiednia zależność ma postać bardziej złożoną.
Zmiana lepkości wraz z temperaturą jest tym mniejsza, im wskaźnik lepkości jest większy. Przykładowe lepkości dwóch olejów o różnych wskaźnikach lepkości, w wybranych temperaturach, podano w tabeli 1.
Przykładowa zależność lepkości cieczy hydraulicznej, w różnych temperaturach, od wskaźnika lepkości
Temperatura,°C |
Lepkość kinematyczna, mm2/s |
|
|
Klasyczny olej parafinowy o wskaźniku lepkości , WL = 100 |
Uszlachetniony olej parafinowy o wskaźniku lepkości, WL = 150 |
-10 |
1373 |
858 |
0 |
550 |
397 |
40 |
46 |
46 |
100 |
6,76 |
8,13 |
4.5. Temperatury odniesienia
W celu określenia lepkości cieczy i wskaźnika lepkości, zostały ustalone temperatury odniesienia. Praktycznie, na całym świecie jako temperatury odniesienia przyjęto: 40oC i 100oC, a lepkość jest wyrażana w mm2/s. Na tej podstawie oparto klasyfikację lepkościową olejów przemysłowych, w tym olejów hydraulicznych. Norma ISO 3448, przyjęta m. in. w PN-78/C-96098 oraz AFNOR NF T 6014 i w normach wielu innych krajów, klasyfikuje oleje przemysłowe w zależności od ich lepkości kinematycznej, w temperaturze 40°C. Fragment tej klasyfikacji, w części odnoszącej się do najczęściej stosowanych klas lepkości olejów hydraulicznych, przedstawiono w tabeli 2.
Najczęściej spotykane klasy lepkości olejów hydraulicznych wg ISO 3448
Symbol klasy lepkości |
Średnia lepkość kinematyczna w temperaturze 40°C, mm2/s |
Granice lepkości kinematycznej w temperaturze 40°C, mm2/s |
|
|
|
minimum |
maksimum |
ISO VG 15 |
15 |
13,5 |
16,5 |
ISO VG 22 |
22 |
19,8 |
24,2 |
ISO VG 32 |
32 |
28,8 |
35,2 |
ISO VG 46 |
46 |
41,4 |
50,6 |
ISO VG 68 |
68 |
61,2 |
74,8 |
ISO VG 100 |
100 |
90,0 |
110,0 |
ISO VG 150 |
150 |
135,0 |
165,0 |
4.6. Zmiana lepkości w funkcji ciśnienia
W stałej temperaturze, lepkość olejów mineralnych wzrasta wraz z ciśnieniem, według wykładniczej zależności (7):
gdzie:
b - empiryczny współczynnik charakteryzujący zależność lepkości od ciśnienia,
- lepkość kinematyczna pod ciśnieniu atmosferycznym,
p - ciśnienie w barach.
Do przybliżonych obliczeń można użyć również następującego uproszczonego wzoru (8):
D V - zmiana lepkości kinematycznej.
Zależność lepkości kinematycznej olejów mineralnych o lepkościach z przedziału 1 ... 100 mm2/s, w zakresie zmian ciśnienia D p = p - po przedstawia nomogram.
Pamietać należy, że zmiana ciśnienia o 300 ... 350 barów może powodować, mniej więcej dwukrotne zwiększenie lepkości.
4.7. Gęstość (masa właściwa)
(ISO 3838, PN-90/C-04004)
Gęstość olejów mineralnych, używanych jako ciecze hydrauliczne zawiera się pomiędzy 0,860 a 0,900 kg/dm3. Natomiast, niektóre ciecze hydrauliczne, jak ciecze trudnopalne, niekiedy mają gęstość powyżej 1 kg/dm3. Warunki techniczne producentów podają gęstość w temperaturze odniesienia: 15 lub 20°C.
4.8. Zmiana gęstości w funkcji temperatury
W pierwszym przybliżeniu, przy niewielkich zmianach temperatury, można przyjąć, że zmiana objętości cieczy D V jest zależna od zmiany temperatury według wzoru (9) :
D V = V* a * D T
Zakładając, że średni temperaturowy współczynnik zmian gęstości "a " dla olejów mineralnych ma wartość:
a = 0,0007* [oC]-1
na podstawie wzoru (9), po odpowiednich przekształceniach matematycznych otrzymuje się wzór (11) pozwalający na obliczenie gęstości w dowolnej temperaturze t (zbliżonej do temperatury 15oC).
gdzie:
r 15 - gęstość w temperaturze 15°C.
4.9. Zależność gęstości od ciśnienia
Ściśliwość czystych olejów mineralnych jest niewielka, jednakże nie można jej pominąć w zastosowaniach przy wysokich ciśnieniach. Jeżeli olej mineralny znajduje się pod działaniem ciśnienia w stałej temperaturze, zmniejszanie objętości jest związane ze wzrostem ciśnienia według zależności (12):
D V = Voc D p
Po odpowiednich przekształceniach otrzymujemy zależność (13), pozwalającą na obliczenie gęstości pod dowolnym ciśnieniem:
gdzie: c jest współczynnikiem ściśliwści.
4.10. Temperatura zapłonu i palenia
(ISO 2592, PN-92/C-04197, ASTM D 92, AFNOR T 60118,)
Temperatura zapłonu jest najniższą temperaturą, przy której mieszanina par oleju i powietrza zapala się w kontakcie z płomieniem.
Temperatura palenia jest najniższą temperaturą, przy której zapalone pary palą się przynajmniej 3 sekundy po oddaleniu płomienia.
Obie te temperatury są mierzone w znormalizowanych przyrządach, zgodnie z dokładnie określoną procedurą zmian temperatury i zapalania, według metody Cleveland.
4.11. Temperatura płynięcia
(ISO 3016, PN-83/ C- 04117, AFNOR T 60105, ASTM D 97)
Temperatura płynięcia jest najniższą temperaturą, w której ciecz schładzana bez mieszania, w znormalizowanych warunkach, jeszcze płynie. Temperatury płynięcia cieczy hydraulicznych różnią się w zależności od surowca, użytego do ich wytworzenia:
-30°C ... -50°C dla cieczy hydraulicznych na bazie olejów syntetycznych (PAO),
-20°C ... -40°C dla cieczy hydraulicznych na bazie olejów z rop naftenowych,
-9°C ... -15°C dla cieczy hydraulicznych na bazie olejów z rop parafinowych.
Dodatki uszlachetniające (depresatory) pozwalają na znaczne obniżenie temperatury płynięcia olejów otrzymywanych z rop parafinowych.
4.12. Ciepło właściwe i przewodność cieplna
Ciepło właściwe Cw jest stosunkiem ilości ciepła D Q, pobranego przez jednostkę masy ciała do przyrostu temperatury D T, podczas tej przemiany.
Cw = D Q/D T
Przewodninictwem cieplnym nazywamy zdolność materii do przenoszenia ciepła i jest opisywana wzorem (15):
D Q/ D t= - lAD T/ D x
gdzie:
D Q/D t - szybkość przepływu ciepła przez powierzchnie A
D T/D x - gradient temperatury
l - współczynnik przewodności cieplnej.
Dla rozważań ogólnych można przyjąć, że :
współczynnik przewodności cieplnej mineralnych olejów hydraulicznych l = 0,134 W/m.°C,
ciepło właściwe mineralnych olejów hydraulicznych w zakresie temperatur 0 ... 100°C, wynosi w przybliżeniu około 1,88 ... 2,1 kJ/kg°C. Jest to wartość około pięciu razy mniejsza niż w przypadku wody, co np. tłumaczy fakt, że instalacje z emulsjami wodnymi pracują w temperaturach o 20 ... 30°C niższych od temperatury pracy układów olejowych.
4.13. Punkt anilinowy
(ISO 2977, PN- 82/C-04028, AFNOR M 07-21, ASTM D 611)
Rozpuszczalność aniliny w olejach jest zależna od zawartości w oleju poszczególnych grup węglowodorów, a w szczególności od zawartości związków aromatycznych. Im większa zawartość aromatów, tym niższy punkt anilinowy. Punkt anilinowy definiuje się jako najniższą temperaturę, przy której równe objętości aniliny i badanego oleju całkowicie się mieszają. Punkt anilinowy cieczy hydraulicznych, na bazie mineralnych olejów, zawiera się przeważnie pomiędzy 90 a 110°C. Punkt anilinowy pozwala, w pewnym stopniu, przewidzieć działanie oleju na elastomery (uszczelki). Jednakże, znajomość punktu anilinowego nie zastępuje bezpośrednich pomiarów. Im niższy punkt anilinowy oleju, tym obserwowane pęcznienie gumy będzie większe.
4.14. Liczba kwasowa
(ISO 6618, PN-88/C-04049 lub PN-85/C-04066, AFNOR NF T 60112, ASTM D 974)
Liczba kwasowa (LK, TAN) jest to ilość miligramów wodorotlenku potasowego (KOH), niezbędnego do zobojętnienia nie związanych kwasów, znajdujących się w jednym gramie cieczy hydraulicznej. Pomiar jest dokonywany poprzez miareczkowanie cieczy hydraulicznej, alkoholowym roztworem wodorotlenku potasowego wobec barwnego wskaźnika (lub potencjometrycznie do określonego pH). Wiele uszlachetnionych cieczy hydraulicznych wykazuje, w stanie świeżym, dość dużą liczbę kwasową, wynikającą z reakcji wodorotlenku potasowego z dodatkami uszlachetniającymi.
5. Właściwości użytkowe cieczy hydraulicznych
5.1. Badanie właściwości przeciwzużyciowych cieczy hydraulicznych
Jedną z podstawowych cech użytkowych cieczy hydraulicznych są właściwości smarne i przeciwzużyciowe. Urządzenia hydrauliczne, szczególnie pompy, są to urządzenia bardzo precyzyjne; ciecz hydrauliczna nie powinna powodować nadmiernego zużycia, które prowadziłoby do zwiększenia luzów, co może powodować utratę ich sprawności. Wysokie ciśnienia stanowią czynnik podwyższający ryzyko zużycia i jego konsekwencje. Liczne dodatki uszlachetniające, organiczne lub metaloorganiczne pozwalają nadać cieczy hydraulicznej wymagane właściwości przeciwzużyciowe, nawet przy bardzo dużych ciśnieniach. Tworzą one na chronionej powierzchni metalu, warstewkę filmu olejowego uniemożliwiającą mikrozatarcia.
Właściwości przeciwzużyciowe określa się dwoma uzupełniającymi się rodzajami prób (testów), przy użyciu :
maszyn do prób zużycia i tarcia,
hydraulicznych stanowisk badawczych.
Ze względu na znaczną liczbę maszyn do badań zużycia i tarcia, dalej wymienimy tylko te z nich, które są najczęściej stosowane do badań cieczy hydraulicznych.
5.2. Maszyna czterokulowa
( PN-76/C-04147, ASTM D 2783, AFNOR NF E 48617)
W maszynie czterokulowej trzy kulki, ściśnięte w miseczce, zawierającej badaną ciecz hydrauliczną, są unieruchomione nakrętką dociskową i naciskane ze zmiennym odciążeniem przez czwartą kulkę, połączoną sztywno z uchwytem, zamocowanym na wale silnika elektrycznego. Rozróżnia się dwa podstawowe typy maszyn czterokulowych :
typ "EP" - wg normy ASTM D 2783,
typ "zużycie" - wg normy AFNOR NF E 48617.
Dla cieczy hydraulicznych przeprowadza się przede wszystkim próbę typu "zużycie". Pomiar średnicy śladu zużycia powstałego na skutek tarcia na powierzchni kulek, po jednogodzinnej próbie, przy obciążeniu 40 daN, pozwala ocenić właściwości przeciwzużyciowe cieczy hydraulicznej.
Przykładowe średnice śladu zużycia:
olej mineralny bez dodatków - średnica śladu >0,8 mm,
olej mineralny z dodatkami przeciwzużyciowymi - średnica śladu <0,5 mm,
ciecz trudnopalna HFC - średnica śladu <0,8 mikrometrów
5.3. Maszyna Timken
(PN-86/C-04073, ASTM D 2782, IP 240,)
W teście Timken pierścień stalowy obraca się wokół osi poziomej i trze blok z twardej stali, naciskający na niego z określoną i zmienną siłą. Ciecz jest wtryskiwana w punktach styku. Próby są dokonywane przy stałej prędkości i wzrastającym obciążeniu. Ciecze są klasyfikowane według porównania wyników pomiarów: obciążenia zatarcia, współczynnika tarcia, powierzchni odcisku.
5.4. Maszyna FZG
(PN-78/C-04169, DIN 51354)
Cześć testową maszyny FZG stanowi przekładnia zębata z kołami o zębach prostych, smarowana badanym olejem i poddana określonemu momentowi (parze sił). W czasie wykonywania testu maszyna funkcjonuje w przeciągu ustalonego czasu. Przekładnia zębata jest sukcesywnie poddawana rosnącemu momentowi, a krzywą zużycia wykreślana się w funkcji czasu pracy. Po zakończeniu próby dokonuje się oględzin zębów oraz waży się koła zębate, w celu oceny ich zużycia, podczas pracy. Odnotowywane jest również obciążenie, od którego przekładnia zębata wykazuje znaczne pogorszenie jakości pracy.
Próbę tę utrzymano w stosowanej powszechnie normie DIN 51524 w części II, dotyczącej mineralnych olejów hydraulicznych o podwyższonych właściwościach przeciwzużyciowych. W przypadku tych olejów hydraulicznych jest wymagany poziom zużycia przekładni > 10 (ustalony według specjalnej procedury).
5.5. Hydrauliczne stanowisko badawcze (pompa Vickersa)
(PN-87/C-04048, ASTM D 2882,AFNOR NF E 48617)
Korelacja metod badawczych z praktyką eksploatacyjną nie zawsze jest łatwa do określenia. W związku z tym, opracowano metody badań na stanowisku, wykorzystującym rzeczywiste elementy układów hydraulicznych.
Najbardziej znane metody tego typu wykorzystują pompy łopatkowe Vickers V 104 C lub V 105 C. Polegają one na pomiarach (po pracy w ustalonych warunkach) ubytku masy stojana i łopatek specjalnej pompy testowej. W zależności od wymagań stawianych cieczy hydraulicznej, istnieje wiele wersji tej metody, różniących się od siebie ciśnieniem, prędkością, temperaturą lub czasem próby. Dla cieczy hydraulicznych, badanych wg norm ASTM D 2882 oraz AFNOR E 48617, stosuje się stanowisko badawcze, którego schemat przedstawiono na rysunku 16.
Przykładowo, przy stosowaniu metody AFNOR, ciecze hydrauliczne mające dobre właściwości przeciwzużyciowe, dają następujące wyniki:
stojan pompy: strata masy < 120 mg,
łopatki pompy: strata masy < 30 mg.
5.6. Zachowanie się cieczy hydraulicznej wobec powietrza
Obecność powietrza w układzie hydraulicznym zawsze pociąga za sobą poważne zakłócenia:
zwiększa ściśliwość mieszaniny powietrze-ciecz,
przyśpiesza utlenianie oleju,
powoduje wzrost temperatury, związany ze zwiększoną ściśliwością, a tym samym przyspieszone starzenie oleju,
niedostateczne smarowanie,
kawitację.
Z tych względów układ hydrauliczny należy tak konstruować i eksploatować, aby uniknąć przedostawania się do niego powietrza. W odniesieniu do cieczy hydraulicznej, konieczne jest zapewnienie właściwości przeciwpiennych i szybkiego wydzielania powietrza. Specjalne dodatki mają uniemożliwić tworzenie piany na powierzchni.
5.7. Skłonność do pienienia
(ISO 6247, PN-85/C-04055, ASTM D 892, AFNOR T 60129)
Powstawanie piany w układzie hydraulicznym stwarza niebezpieczeństwo przecieku, przelewania lub ponownego zasysania powietrza, a w konsekwencji zakłócenia sygnalizowane w punkcie 5.6. Właściwości te są oceniane na podstawie próby, która polega na wdmuchiwaniu powietrza z butli lub sprężarki do badanej cieczy hydraulicznej i mierzeniu objętości oraz trwałości wytworzonej piany, w różnych temperaturach.
5.8. Szybkość wydzielania powietrza
(PN-79/C-04174, DIN 51381, AFNOR T 60149)
Jeżeli mimo wszystko, powietrze dostanie się do układu z jakiegokolwiek powodu, ważne jest, aby mogło ono jak najprędzej zostać wydzielone z cieczy hydraulicznej. Szybkość wydzielania powietrza jest oceniana poprzez próbę, która polega na nasyceniu próbki cieczy powietrzem wdmuchiwanym przez dyszę. Następnie śledzi się zmiany zawartości powietrza w cieczy, w funkcji czasu, poprzez pomiar gęstości przy użyciu wagi hydrostatycznej. W tej próbie, ciecze hydrauliczne o średniej lepkości 32 ... 68 mm2/s (w temperaturze 40°C), mają czas wydzielania powietrza w granicach 5 ... 10 minut.
5.9. Zachowanie wobec wody
Woda może przedostawać się do obwodów układów hydraulicznych poprzez:
nieszczelność w wymienniku ciepła,
kondensację wilgoci atmosferycznej po każdym zatrzymaniu,
przenikanie, przy braku szczelności (uszczelki cylindra, uszczelki zbiornika) ze środowiska zewnętrznego,
przedostawanie się emulsji olejowo-wodnej z obrabiarki.
Obecność wody sprawia, że ciecz hydrauliczna musi posiadać następujące właściwości:
przeciwrdzewne,
odporność na hydrolizę,
brak skłonności do tworzenia emulsji (odporność na emulgowanie).
5.10. Właściwości przeciwrdzewne
(PN-81/C-04082, ASTM D 665, IP 135)
Należy wykluczyć obecność jakichkolwiek śladów korozji na bardzo precyzyjnie spasowanych elementach układów hydraulicznych. Jest istotne, aby ciecz hydrauliczna miała bardzo dobre właściwości przeciwrdzewne. Właściwości takie są uzyskiwane w wyniku zastosowania dodatków uszlachetniających, których zadaniem jest zwiększenie powinowactwa oleju do powierzchni metalowych. Właściwości przeciwrdzewne można oszacować dzięki testowi, w którym trzpienie z polerowanej stali, zanurzone w mieszaninie 90% oleju i 10% wody, w temperaturze 60°C, przez 24 godziny, nie wykażą śladów korozji.
5.11. Odporność na hydrolizę (test "Coca-Cola")
(PN-88/C-04084, ASTM D 2619)
Dodatki obecne w cieczy hydraulicznej (przeciwutleniające, przeciwkorozyjne, przeciwzużyciowe) nie mogą ulegać rozkładowi pod wpływem wody. Rozkład taki (zwany hydrolizą) powodowałby, poza utratą skuteczności dodatków, zjawisko korozji i powstawanie osadów. Celem sprawdzenia tej właściwości, próbkę 75 g cieczy hydraulicznej i 25 g wody oraz płytkę miedzianą umieszcza się w butelce typu "Coca-Cola". Butelka jest poddawana powolnej rotacji w ciągu 48 godzin w termostacie, w temperaturze 93°C. Po zakończeniu próby notuje się zmianę masy płytki miedzianej oraz liczbę kwasową fazy wodnej.
5.12. Odporność na tworzenie emulsji (deemulgowanie)
(PN-86/C-04065, ASTM D 1401, AFNOR T 60125,)
Jeżeli ciecz hydrauliczna jest poddawana regularnym i licznym kontaktom z wodą (co może wynikać ze specyfiki układu), niezbędne staje się używanie takiej cieczy hydraulicznej, która jest szczególnie odporna na emulgowanie, to znaczy takiej, która szybko oddziela się od wody bez tworzenia trwałej emulsji. Właściwość ta pozwala na prawie całkowite odprowadzenie wody z układu hydraulicznego, poprzez separację w zbiorniku. Odporność cieczy hydraulicznych na tworzenie emulsji jest oceniana w teście, który polega na mieszaniu równych (40 ml cieczy hydraulicznej i 40 ml wody) objętości wody i cieczy hydraulicznej, łopatkami obracających się z prędkością 1500 obr/min. Obserwuje się utworzoną emulsję i mierzy się czas jej rozdzielania. Jako wynik podaje się w kolejności: objętość warstwy: olejowej, wodnej i emulsji, oraz czas rozwarstwienia.
Przykładowe wyniki:
40-40-0 w 20 minut oznacza, że całkowite rozdzielenie warstw następuje po 20 minutach,
39-35-6 w 60 minut oznacza, że po upływie 60 minut obserwuje się 39 ml oleju, 35 ml wody i 6 ml emulsji.
5.13. Właściwości przeciwkorozyjne
(ISO 2160, PN-85/C-04093, ASTM D 130, AFNOR M 07015)
Ciecz hydrauliczna nie powinna oddziaływać korozyjnie metale kolorowe, a w szczególności na miedź. Zachowanie wobec tego metalu jest oceniane na podstawie odniesienia do wzorców korozji zmian zabarwienia testowej płytki miedzianej, zanurzonej w ocenianej cieczy hydraulicznej, przez 3 godziny, w temperaturze 100°C.
5.14. Odporność na utlenianie
(ASTM D 943)
Każdy wzrost temperatury, nawet chwilowy, może powodować pogarszanie się jakości cieczy hydraulicznej poprzez jej utlenianie i rozpad termiczny. Warunki pracy niektórych układów mają tendencję do dosyć silnego rozgrzewania cieczy hydraulicznej (temperatura powyżej 60°C). W takiej sytuacji jest konieczne, aby ciecz hydrauliczna miała dobre właściwości przeciwutleniające, co zapewnia dobrą trwałość cieczy bez ryzyka starzenia, korozji lub zanieczyszczania układu.
Pośród wielu możliwych prób starzenia, zazwyczaj stosuje się test, polegający na poddawaniu oleju mieszaniu przy użyciu sprężonego tlenu, w obecności wody oraz katalizatorów: żelaznego i miedzianego, w temperaturze 95°C. Po zakończeniu próby, która trwa na ogół 1 000 lub 2 000 godzin, mierzy się liczbę kwasową (LK, TAN) i ilość utworzonych osadów.
5.15. Odporność na ścinanie
(CEC L-14-T, PN-77/C-04165, DIN - 51382)
Przy obecnym stanie techniki rafinacji, większość bazowych olejów mineralnych, stosowanych do produkcji cieczy hydraulicznych, ma naturalne wskaźniki lepkości zawarte między 95 a 105. Znaczna część cieczy hydraulicznych, dostępnych na rynku, ma wskaźniki lepkości odpowiadające tym wartościom; są to tzw. oleje o "naturalnym wskaźniku lepkości". Jeżeli chce się otrzymać ciecze hydrauliczne o wyższym wskaźniku lepkości, konieczne jest wprowadzenie dodatków, nazywanych modyfikatorami wskaźnika lepkości (wiskozatory). Dodatki takie są polimerami o długich łańcuchach. Wiskozatory muszą być ostrożnie dobierane, ponieważ niektóre z nich mają tendencję do "ścinania" podczas pracy (rozrywanie łańcucha cząsteczki polimeru, np. przy przechodzeniu między powierzchniami trącymi). Zjawisko to pociąga za sobą zmniejszenie lepkości i wskaźnika lepkości.
Aby określić odporność cieczy hydraulicznych na ścinanie, najczęściej stosuje się aparat Orbahn według normy DIN 51382. Metoda ta polega na poddawaniu określonej objętości cieczy hydraulicznej, ustalonej liczbie przejść (250), poprzez klasyczny wtryskiwacz firmy Bosch. Nagłe rozprężenie (od 175 do 0 barów), po przejściu przez bardzo wąski otwór (2 ... 5 m m) poddaje ciecz bardzo dużym naprężeniom ścinającym. Mierzy się spadek lepkości po próbie.
5.16. Oddziaływanie na elastomery
(AFNOR NF E 48610)
Ciecze hydrauliczne, giętkie przewody, uszczelki statyczne i dynamiczne w układzie hydraulicznym powinny być dobrane w taki sposób, aby nie wykazywały wzajemnego niekorzystnego oddziaływania. Uszczelki powinny być dobrane również zgodnie z zakładanym zakresem temperatur pracy. Jak wspomniano wcześniej, punkt anilinowy daje tylko przybliżone informacje o zachowaniu olejów mineralnych wobec kauczuków. Ciecze hydrauliczne o niskich punktach anilinowych mogą powodować pęcznienie, natomiast ciecze o wysokich punktach anilinowych powodują skurcz. Jednakże czynnikiem decydującym o intensywności i rodzaju zachodzących zmian jest typ elastomeru, z którego są wykonane uszczelnienia. Dlatego też, producenci uszczelnień określają optymalny punkt anilinowy dla swojego wyrobu przeprowadzając próby z olejami odniesienia: ASTM 1, 2 i 3, o punktach anilinowych odpowiednio 124, 93 i 60°C. Pomiary te mogą być uzupełniane badaniem twardości i innych mechanicznych właściwości uszczelek. Próby zgodności są często wykonywane przez laboratoria naftowe.
5.17. Próby specjalne dla trudnopalnych cieczy hydraulicznych
Celem sprawdzenia właściwości trudnopalnych cieczy hydraulicznych zostały opracowane różne specyficzne testy, na przykład:
próba w strumieniu rozpylonym pod wysokim ciśnieniem, z osłoną,
próba odporności na spalanie w silniku ze zmiennym stopniem sprężania,
próba rozprzestrzeniania się ognia, w mieszance złożonej z pyłu węglowego i cieczy trudnopalnych.
Ponadto, dla tego typu cieczy hydraulicznych, sprawdza się toksyczność w stanie świeżym i po rozkładzie termicznym.
Według rodzaju zastosowania, używa się dwóch grup cieczy hydraulicznych:
mineralne ciecze hydrauliczne (oleje hydrauliczne) ,
ciecze trudnopalne.
6. Ciecze hydrauliczne
6.1. Mineralne ciecze hydrauliczne
Według norm: PN-91/C-96057/1, ISO 6743/4, NF E 48602, rozróżnia się następujące klasy jakościowe cieczy hydraulicznych, do układów hydrostatycznych:
ciecze typu HH: oleje mineralne nieuszlachetnione (czyste oleje bazowe),
ciecze typu HL: oleju mineralne, posiadające specjalne właściwości przeciwutleniające i antykorozyjne,
ciecze typu HM: ciecze typu HL, posiadające specjalne właściwości przeciwzużyciowe,
ciecze typu HR: ciecze typu HL, posiadające polepszone właściwości lepkościowo-temperaturowe,
ciecze typu HV: ciecze typu HM, posiadające polepszone właściwości lepkościowo-temperaturowe,
ciecze typu HS: oleje syntetyczne, dla których nie jest wymagana trudnopalność,
ciecze typu HG: ciecze typu HM, przeznaczone do układów hydraulicznych i prowadnic obrabiarek, posiadające właściwości anty stick-slip.
W praktyce eksploatacyjnej wygląda to następująco:
ciecze typu HM i HV są najczęściej stosowane.
ciecze typu HH są czystymi olejami mineralnymi, które spełniają właściwie podstawową rolę płynów hydraulicznych, to jest przekazywanie energii, ale nie zapewniają ochrony, smarowania, itd.,
ciecze typu HL są w większości olejami typu "turbinowego". Przedstawiają doskonałą odporność na działanie wody. Są zalecane do urządzeń o średnim ciśnieniu oraz wtedy, kiedy dodatki przeciwzużyciowe nie są konieczne,
6.2. Inne rodzaje olejów hydraulicznych
Jako ciecze hydrauliczne bywają stosowane inne specyficzne oleje mineralne, na przykład:
oleje mineralne lub syntetyczne o bardzo wysokim wskaźniku lepkości i bardzo niskiej temperaturze płynięcia do zastosowań w niskich temperaturach (np. w lotnictwie) ; odpowiadające wojskowym normom: AIR 3520, MIL-H-5808, WTWT-MPS-003, (kod NATO H-520 - ciecz normalna) i (kod NATO H-515 - ciecz mikrofiltrowana),
oleje silnikowe oraz oleje do przekładni hydrokinetycznych; oleje te posiadają większość właściwości olejów hydraulicznych. Są one zalecane, przez różnych producentów maszyn budowlanych, równolegle z olejami hydraulicznymi,
oleje hydrauliczne z detergentami; są to oleje odpowiadające kategorii HM, lecz z możliwością pochłaniania pewnych ilości wody.
Tabela 3
Ciecze hydrauliczne ELF
Klasa cieczy hydraulicznej |
Nazwa cieczy hydraulicznej w gamie cieczy firmy ELF |
HL |
ELF POLYTELIS |
HM |
ELFOLNA DS, ELFOLNA HMD |
HV |
HYDRELF DS, HYDRELF BIO 46 |
6.3. Trudnopalne ciecze hydrauliczne
W niektórych zastosowaniach, obecność substancji łatwopalnych lub poddawanych bardzo wysokim temperaturom może spowodować zapalenie cieczy hydraulicznych na bazie olejów mineralnych, na przykład podczas przypadkowego pęknięcia giętkiego przewodu. W takim przypadku, jest konieczne stosowanie trudnopalnych cieczy hydraulicznych. Ciecze takie zostały głównie opracowane dla potrzeb przemysłu węglowego, np. we Francji przez Francuskie Kopalnie Węgla (Charbonnages de France). Spełniają one również wymagania odpowiednich PN i innych polskich dokumentów normatywnych.
Część norm NF E 48602 i NF E 48603 odnośnie płynów trudnopalnych jest zgodna z pracami Charbonnages de France i CECA (EWWS - Europejska Wspólnota Węgla i Stali).
Istnieją następujące rodzaje trudnopalnych cieczy hydraulicznych:
ciecze typu HFAE: emulsje oleju w wodzie, z zawartością wody powyżej 80%,
ciecze typu HFAS: roztwory wodne substancji chemicznych, z zawartością wody powyżej 80%,
ciecze typu HFC: roztwory wodne polimerów, z zawartością wody poniżej 80%,
ciecze typu HFDR: ciecze syntetyczne na bazie estrów fosforanowych, nie zawierające wody,
ciecze typu HFDS: ciecze syntetyczne nie zawierające wody, na bazie węglowodorów chlorowcopochodnych,
ciecze typu HFDT: ciecze syntetyczne nie zawierające wody, utworzone z mieszanin cieczy HFDR i HFDS,
ciecze typu HFDU: ciecze syntetyczne nie zawierające wody, utworzone z innych składników.
W przemysłowych układach hydraulicznych, najczęściej używanymi trudnopalnymi cieczami hydraulicznymi są rodzaje: HFC, HFDR i HFDU.
Tabela 4
Trudnopalne ciecze hydrauliczne ELF
Klasa cieczy hydraulicznej |
Nazwa cieczy hydraulicznej w gamie cieczy firmy ELF |
HFC |
PYRELF HFC 46 |
HFDR |
PYRELF DR 46 |
HFDU |
PYRELF HFDU 46 |
7. Filtracja cieczy hydraulicznych
7.1. Dlaczego potrzebna jest filtracja?
Konieczne jest, aby ciecz robocza była czysta, to znaczy nie zawierała wody lub cząstek stałych, które mogłyby prowadzić do zniszczenia układu hydraulicznego lub zatkania filtrów. Z tego względu, jest wymagana inna ważna właściwość cieczy hydraulicznej - filtrowalność. Może ona być zdefiniowana jako zdolność cieczy do poddania filtracji, poprzez system filtracyjny układu hydraulicznego, bez blokowania filtrów, w obecności lub braku wody. Zła filtrowalność cieczy hydraulicznej może być spowodowana niewłaściwym procesem produkcji cieczy, na przykład użyciem:
składników niewystarczająco oczyszczonych,
składników prowadzących do tworzenia substancji galaretowatych, pochodzących z reakcji dodatków uszlachetniających oleju z wodą, obecną w układzie.
Zanieczyszczona ciecz hydrauliczna spowoduje wadliwą pracę urządzenia. Udowodniono, że nieodpowiednia czystość cieczy hydraulicznej jest przyczyną ponad 80% awarii. Tak więc, jeśli chcemy, aby maszyny działały prawidłowo, musimy zadbać o odpowiednią filtrację cieczy hydraulicznej.
7.2. Źródła zanieczyszczeń
Zanieczyszczenia układów hydraulicznych mogą pochodzić z czterech głównych źródeł:
zanieczyszczenia, związane z funkcjonowaniem różnych części składowych układu (pompa, zbiornik, odbiorniki, elementy sterujące),
zanieczyszczenia zewnętrzne, które mogą przedostawać się do układu przez przewody, zawory, trzpienie siłowników, obudowy pomp i silników,
zanieczyszczenia własne instalacji hydraulicznej, związane z produkcją, takie jak: wylewki produkcyjne, piasek z form odlewniczych, farby,
zanieczyszczenia dodatkowe, mogące przedostać się na przykład w czasie uzupełniania płynu hydraulicznego, konserwacji urządzeń.
7.3. Zanieczyszczenia
Zanieczyszczenia mechaniczne mogą różnić się znacznie między sobą i ich podziału można dokonać według różnych kryteriów:
wielkości cząstek,
natury chemicznej: nieorganiczne, organiczne,
twardości,
reaktywności chemicznej,
kształtu,
rozpuszczalności w cieczy hydraulicznej,
charakteru elektrycznego.
7.4. Źródła zanieczyszczeń
Cząstki stałe o wymiarach większych od 15 m m (nie uzbrojonym okiem są widoczne cząstki o wymiarach większych od 40 m m). Źródłami zanieczyszczeń cieczy hydraulicznych o takich wymiarach mogą być:
kawitacja w układzie hydraulicznym,
pozostałości obróbki mechanicznej lub spawania (elementy instalacji, takie jak: bloki, rury, zawory, złączki),
pozostałości odlewnicze (korpusy pomp, zaworów),
elementy uszczelnień (kawałki uszczelek).
Cząstki stałe o wymiarach 5.... 15 m m.
Ten typ cząstek stanowi około 70% zanieczyszczeń spotykanych w cieczy hydraulicznej.
Możliwe źródła powstawania:
zanieczyszczenia własne cieczy hydraulicznej (pochodzące na przykład z opakowań),
zanieczyszczenia zewnętrzne (pył),
włókna tworzyw przewodów giętkich.
Cząstki stałe o wymiarach 3 ... 5 m m (rys. 19).
Możliwe źródła powstawania :
drobne zanieczyszczenia metaliczne, powstające w wyniku ścierania pracujących części,
dodatki do płynów hydraulicznych,
cząstki nie odfiltrowane,
tlenki metali.
7.5. Współczynnik filtracji i skuteczność filtracji
Jakość filtrów, stosowanych w układach hydraulicznych, ocenia się dwoma podstawowymi parametrami:
Współczynnik filtracji b x (16) - określa się jako stosunek liczby cząstek wymiarze x znajdujących się przed filtrem, do liczby cząstek o tym samym wymiarze x za filtrem (gdzie x jest wymiarem cząstki w mikrometrach).
gdzie:
n1 - liczba cząstek przed filtrem,
n2 - liczba cząstek za filtrem.
Skuteczność (efektywność) filtracji ef (18) - określa się stosunek różnicy liczby cząstek zanieczyszczeń przed n1 i za filtrem n2 , do liczby cząstek przed filtrem, wyrażony w procentach.
na przykład:
Jeśli liczba cząstek zanieczyszczeń o wymiarach 20 m m w cieczy hydraulicznej przed filtrem wynosi 100 000 szt. , a po przejściu przez filtr 10 000 szt. to:
7.6. Charakterystyka filtrowalności cieczy hydraulicznej
Charakterystyki filtrowalności cieczy hydraulicznych są oceniane przy zastosowaniu wielu testów
Jednym z nich jest badanie filtrowalności metodą DENISON TP 02 100. Test ten jest przeznaczony do sprawdzania filtrowalności olejów hydraulicznych. Charakterystykę filtrowalności ocenia się przez porównywanie czasu filtracji 100 ml cieczy hydraulicznej zawierającej wodę (<2%) i przy braku wody, według określonej procedury, poprzez membranę filtracyjną o nominalnej średnicy porów 1,2 m m.
Stanowisko badawcze, opracowane przez firmę ELF, pozwala śledzić zmianę filtrowalności cieczy w obecności różnych zanieczyszczeń: wody i produktów utleniania. Próba ta polega na oszacowaniu, w rzeczywistym obwodzie hydraulicznym o niskim ciśnieniu (100 barów), tworzenia się nierozpuszczalnych substancji, podczas chemicznej degradacji cieczy hydraulicznej. Obserwuje się zmiany zatykania filtra 5 m m, umieszczonego w obwodzie, poprzez pomiar spadku ciśnienia na filtrze.
7.7. Czystość cieczy hydraulicznych
Czystość cieczy hydraulicznych określa się dwoma podstawowymi parametrami:
zawartością zanieczyszczeń,
składem granulometrycznym.
Zawartość zanieczyszczeń najczęściej jest mierzona tzw. analizą grawimetryczną. Polega ona na filtrowaniu 100 ml oleju badanego poprzez membranę filtrującą o nominalnej średnicy porów 0,8 m m. Poprzez ważenie membrany czystej i z zanieczyszczeniami, określa się ilość nierozpuszczalnych osadów w jednostce objętości cieczy hydraulicznej ( najczęściej w mg/100 ml).
Skład granulometryczny ocenia się na podstawie zliczania cząstek zanieczyszczeń o określonych wymiarach, przypadających na jednostkę objętości cieczy (najczęściej w 1 ml lub 100 ml)
Metody polegające na zliczaniu cząsteczek zanieczyszczeń:
pod mikroskopem (np. metoda AFNOR NF E 48651), polegająca na filtrowaniu określonej objętości cieczy, przez membranę filtracyjną, która jest następnie badana pod mikroskopem, w celu zliczenia cząsteczek i pogrupowania na frakcje wymiarowe,
przy użyciu automatycznego licznika cząstek, mierzącego zmianie natężenia strumienia świetlnego zatrzymywanego przez cząsteczki stałe obecne w cieczy. Ten typ przyrządu pozwala automatyczną klasyfikację wielkości zanieczyszczeń.
Na podstawie zliczeń cząstek poziom zanieczyszczenia cieczy hydraulicznej jest wyrażany według dwóch głównych systemów:
NAS 1638
ISO 4406.
Specyfikacja amerykańska NAS 1638 określa 14 klas czystości cieczy, w zależności od liczby cząstek, o średnicach z określonych przedziałów wymiarowych. Klasyfikacje tę przedstawiono w tabeli 5.
Klasy czystości według NAS 1638 (styczeń 1964) - liczba cząstek w 100 cm3 cieczy
Klasa czystości |
Liczba cząstek o średnicach z przedziału wymiarowego, mikrometry |
||||
|
5 ... 15 |
15 ... 25 |
25 ... 50 |
50 ... 100 |
>100 |
00 |
125 |
22 |
4 |
1 |
0 |
0 |
250 |
44 |
8 |
2 |
0 |
1 |
500 |
89 |
16 |
3 |
1 |
2 |
1 000 |
178 |
32 |
6 |
1 |
3 |
2 000 |
356 |
63 |
11 |
2 |
4 |
4 000 |
712 |
126 |
22 |
4 |
5 |
8 000 |
1 425 |
253 |
45 |
8 |
6 |
16 000 |
2 850 |
506 |
90 |
16 |
7 |
32 000 |
5 700 |
1 012 |
180 |
32 |
8 |
64 000 |
11 400 |
2 025 |
360 |
64 |
9 |
128 000 |
22 800 |
4 050 |
720 |
128 |
10 |
256 000 |
45 600 |
8 100 |
1 440 |
256 |
11 |
512 000 |
91 200 |
16 200 |
2 880 |
512 |
12 |
1 024 000 |
182 400 |
32 400 |
5 760 |
1 024 |
Poziomy czystości cieczy wg ISO 4406 są określane przez dwie umowne liczby odpowiadające:
liczbie cząsteczek o średnicach powyżej 5 m m w 100 ml cieczy,
liczbie cząsteczek o średnicach powyżej 15 m m w 100 ml cieczy.
W tabeli 6 przedstawiono zasady przypisywania poziomu czystości wg ISO 4406, na podstawie zliczania cząstek. Można również posługiwać się siatką ISO 4406. Łącząc linią prostą punkty odpowiadające liczbie cząstek o średnicach większych od 5 i 15 mikrometrów, na podstawie tej siatki, można z dobrym przybliżeniem odczytać liczbę cząstek o średnicach większych od dowolnie wybranej, z przedziału wymiarowego 5 ... 15 mikrometrów. Zasady opracowania wyników pomiarów składu granulometrycznego wg ISO 4406 znormalizowano w normie ISO 3938.
Tabela 6
Przykładowe poziomy czystości wg ISO 4406
Poziom czystości ISO |
Liczba cząstek w 100 ml cieczy, o średnicach większych od: |
|
|
5 mikrometrów |
15 mikrometrów |
20/17 |
500 000 ... 1 000 000 |
64 000 ... 130 000 |
19/16 |
250 000 ... 500 000 |
32 000 ... 64 000 |
18/15 |
130 000 ... 250 000 |
16 000 ... 32 000 |
17/14 |
64 000 ... 130 000 |
8 000 ... 16 000 |
16/13 |
32 000 ... 64 000 |
4 000 ... 8 000 |
15/12 |
16 000 ... 32 000 |
2 000 ... 4 000 |
14/11 |
8 000 ... 16 000 |
1 000 ... 2 000 |
13/10 |
4 000 ... 8 000 |
500 ... 1 000 |
12/9 |
2 000 ... 4 000 |
250 ... 500 |
11/8 |
1 000 ... 2 000 |
130 ... 250 |
11/7 |
1 000 ... 2 000 |
64 ... 130 |
10/7 |
500 ... 1 000 |
64 ... 130 |
10/6 |
500 ... 1 000 |
32 ... 64 |
9/6 |
250 ... 500 |
32 ... 64 |
8/5 |
130 ... 250 |
16 ... 32 |
7/4 |
64 ... 130 |
8 ... 16 |
6/3 |
32 ... 64 |
4 ... 8 |
5/2 |
16 ... 32 |
2 ... 4 |
4/1 |
8 ... 16 |
1 ... 2 |
3/1 |
4 ... 8 |
1 ... 2 |
2/0 |
2 ... 4 |
0,5 ... 1 |
1/0,9 |
1 ... 2 |
0,25 ... 0,5 |
Stosowane są również inne systemy oceny stanu czystości cieczy według norm: MIL STD 1246 A, SAE -791, GOST 17216-71. Istnieją zależności pozwalające na przeliczanie z jednego systemu na inne.
8. Przyczyny zużycia
8.1. Zużycie ścierne
Zużycie ścierne jest powodowane przez cząstki, o wymiarach zbliżonych do wielkości luzów technologicznych pomiędzy współpracującymi powierzchniami. Powstają bruzdy i wyżłobienia na powierzchniach, wzrastają luzy i naprężenia zmęczeniowe w obciążonych częściach.
8.2. Erozja
W czasie pracy układu ciecz hydrauliczna, a co za tym idzie, cząstki w niej zawieszone podlegają znaczącym przyspieszeniom. Energia kinetyczna (E=mv2/2) tych cząstek (pomimo ich małej masy) może być znaczna, bowiem osiągają one prędkości do 120 m/s. Uderzenia cząstek w powierzchnie materiału powoduje wyrwanie jego fragmentów. Zjawisko to jest nazywane erozją.
8.3. Zużycie na skutek kontaktów powierzchniowych
Podczas prawidłowej eksploatacji, współpracujące powierzchnie są oddzielone filmem olejowym. W przypadku przerwania filmu smarującego występuje zjawisko tarcia granicznego lub suchego. Dochodzi wówczas do bezpośredniego kontaktu współpracujących powierzchni. W takiej sytuacji może dochodzić do przyśpieszonego zużycia, mikrozespawań, a w skrajnym przypadku do zatarcia.
8.4. Zużycie zmęczeniowe materiału
Zużycie zmęczeniowe materiału występuje głownie w łożyskach ślizgowych, wówczas gdy twarde cząstki przedostają się miedzy współpracujące powierzchnie. Wywierane naciski powodują naruszenie struktury materiału, a następnie wypadanie jego fragmentów.
8.5. Zużycie kawitacyjne
Kawitacja (korozja kawitacyjna) jest to skomplikowane zjawisko, polegające na implozji pęcherzyków gazu w cieczy. Pęcherzyki powstają w układzie w miejscach, gdzie następuje gwałtowne obniżenie ciśnienia. Przemieszczają się one wraz ze strugą cieczy i gwałtownie zanikają w momencie, gdy ciśnienie wzrasta. Powodem ich pojawiania się mogą być również drgania mechaniczne w układzie. Gwałtowność implozji pęcherzyków powoduje powstawanie fal uderzeniowych o długości 0,1 ... 0,2 m m, które atakują powierzchnię z ogromnymi prędkościami, dochodzącymi do 1 km/s (lokalne wzrosty ciśnienia do dziesiątek tysięcy barów) i wyrywają fragmenty metalu - tworzą się głębokie wżery kawitacyjne. Oderwane cząstki metalu zanieczyszczają układ. Elementami układów hydraulicznych, najbardziej narażonymi na kawitację są: pompy, dławiki i rozdzielacze. Jednym z najprostszych sposobów zapobiegania kawitacji jest stosowanie specjalnych dodatków uszlachetniających w cieczy, które poprzez modyfikację warstwy przyściennej zapobiegają skutkom implozji.
Kawitacja jest powodowana zazwyczaj problemami po stronie ssącej pompy (niskie ciśnienie), daje o sobie znać głośną pracą układu hydraulicznego. Czasem może być konieczne zmodyfikowanie układu ssania.
Głównymi czynnikami, sprzyjającymi powstawaniu zjawiska kawitacji, są:
zbyt lepki olej (szczególnie przy rozruchu instalacji pracującej na powietrzu w niskiej temperaturze),
zanieczyszczenie kosza ssącego,
zaciśnięcie przewodu ssącego,
niewłaściwa zamiana oleju mineralnego na ciecz hydrauliczną trudnopalną - należy pamiętać, że niektóre ciecze trudnopalne mają gęstość większą niż 1 kg/dm3, znacznie większą od gęstości olejów mineralnych. Podczas przechodzenia z oleju mineralnego na ciecz trudnopalną celem uniknięcia kawitacji w instalacji, w konstrukcji której tego nie przewidziano od początku, może być konieczna modyfikacja układu ssania (zmiana wysokości ssania, powiększenie średnicy przewodu ssącego, zmniejszenie dławienia na zaworze ssącym)
8.6. Zużycie korozyjne
Uogólniając korozja jest zjawiskiem elektrochemicznym i zależy od wielu różnych czynników. Pewne związki chemiczne, zawarte w cieczach hydraulicznych, mogą być agresywne wobec niektórych metali. Aby zapobiegać korozji w składzie cieczy hydraulicznych występują dodatki przeciwkorozyjne (inhibitory korozji). Czynniki wywołujące korozję układów hydraulicznych to: woda, powietrze, rozpuszczalniki chlorowcopochodne, zanieczyszczenia mikrobiologiczne.
8.7. Skutki obecności zanieczyszczeń
Skutkami obecności zanieczyszczeń mechanicznych jest niszczenie elementów układu: zaworów, pomp. Szczególnie znaczące są uszkodzenia pomp hydraulicznych. W praktyce eksploatacyjnej, obok procesów zużycia występują inne zjawiska, związane z obecnością zanieczyszczeń mechanicznych. Należą do nich zamulanie i zatykanie.
Zamulanie prowadzi do zwiększenia czasu odpowiedzi, zmienia charakterystykę dynamiczną układu, częstotliwość (szczególnie w przekaźnikach proporcjonalnych), zakres regulacji zostaje zmniejszony. Zamulanie może doprowadzić do całkowitego zatkania i unieruchomienia układu. Przeważnie jest to powodowane przez cząstki zanieczyszczeń, o wymiarach zbliżonych do wielkości luzów technologicznych.
9. Warunki prawidłowej eksploatacji.
Układy hydrauliczne wymagają bardzo starannej obsługi, najlepsza ciecz hydrauliczna nie da dobrych efektów w źle utrzymanym układzie. Szczególne znaczenie mają następujące czynniki:
filtracja, czystość, zanieczyszczenia,
przegrzewanie, chłodzenie,
zapowietrzanie,
kawitacja,
dobór i montaż uszczelek,
ścinanie.
9.1. Filtracja i czystość
Zanieczyszczenie cieczy hydraulicznych cząsteczkami ściernymi jest największym wrogiem układu hydraulicznego.
Znaczna część uszkodzeń układów hydraulicznych jest powodowana, bezpośrednio lub pośrednio, obecnością cząsteczek obcych, takich jak:
pyły zewnętrzne,
cząsteczki metalowe pochodzące z procesów zużycia,
cząsteczki rdzy,
drobiny farby.
Małe luzy elementów hydraulicznych nie dają się pogodzić z większą ilością cząstek zanieczyszczeń mechanicznych. Należy więc przedsięwziąć następujące środki ostrożności.
Bardzo dokładnie nadzorować proces filtracji dbając, aby:
wkłady filtrujące były wymieniane zgodnie z okresami przewidzianymi dla danego typu układu,
elementy filtrujące nie były uszkodzone podczas operowania nimi,
typ użytkowanego filtra dawał odpowiedni stopień filtracji zalecany przez producenta elementów hydraulicznych.
Ciągła filtracja, przez filtr o nominalnej dokładności filtrowania 25 mikrometrów jest minimalnym wymogiem. W niektórych precyzyjnych układach zalecane jest filtrowanie bardziej dokładne 10 mikrometrów, a czasem nawet 5 mikrometrów.
Należy uważać aby nie miało miejsca przedostawanie się cząstek zanieczyszczeń do układu, poprzez:
dokładne płukanie przy pierwszym uruchamianiu urządzenia,
zapewnienie środków ostrożności podczas napełniania zbiornika,
konserwację uszczelek,
odpowiednią jakość filtra powietrza w układzie odpowietrzania zbiornika.
9.2. Temperatura pracy
Ciecz hydrauliczna starzeje się tym szybciej, im wyższa jest temperatura jej pracy. Nadmierna temperatura jest również szkodliwa dla innych elementów układu. Ideałem byłoby nie przekraczanie temperatury 50°C, ponieważ wtedy starzenie dobrych cieczy hydraulicznych jest powolne. W niektórych przypadkach jest konieczne zainstalowanie wymiennika ciepła w celu chłodzenia cieczy hydraulicznej. Najczęstszymi powodami przypadkowego przegrzewania obwodów są:
niewłaściwie dobrana ciecz hydrauliczna pod względem lepkości,
źle wyregulowany zawór bezpieczeństwa (zbyt duży przepływ),
zanieczyszczona chłodnica,
zanieczyszczenie zbiornika, uniemożliwiające odprowadzanie ciepła przez wypromieniowanie,
zbyt niski poziom cieczy hydraulicznej,
zanieczyszczone lub wygięte przewody,
zużycie pompy hydraulicznej,
przedostanie się powietrza do układu.
9.3. Przedostawanie się powietrza
Jak już wspomniano wcześniej, powietrze w cieczy hydraulicznej stwarza poważne problemy. Najczęstszymi powodami przedostawania się powietrza do układów hydraulicznych są:
nieszczelne przewody ssące,
nieszczelna pompa,
zbyt niski poziom cieczy hydraulicznej,
nadmierna turbulencja w zbyt małym zbiorniku,
przewody powrotne nie zanurzone w oleju (pienienie).
Copyright 1997-2000 Elf Lubrifiants Polska - Wszelkie prawa zastrzeżone |
Ciecze hydrauliczne
1. Rodzaje napędów hydraulicznych.
Układy hydrauliczne zawierają ciecz hydrauliczną (zwaną również cieczą roboczą, olejem hydraulicznym lub płynem hydraulicznym), przekazującą energię z generatora do jednego lub kilku odbiorników i ewentualnie pewnej liczby elementów sterowania i regulacji. Do przekształcenia energii, przekazywania i ponownego jej przekształcania we właściwe dla potrzeb użytkownika, różnego rodzaju ruchy urządzeń wykonawczych, służą napędy. W układach hydraulicznych wyróżnia się dwa podstawowe typy napędów:
Napędy hydrokinetyczne, w których jest wykorzystywana energia kinetyczna cieczy:
sprzęgła hydrokinetyczne,
przemienniki hydrokinetyczne, przekładnie hydrokinetyczne, zmienniki momentu
Napędy te, składające się zasadniczo z wirnika silnika i wirnika odbiornika, zamontowanych we wspólnej obudowie, wypełnionej cieczą hydrauliczną, noszą nazwę układów hydrokinetycznych.
Napędy hydrostatyczne, w których energia jest przekazywana poprzez zmiany ciśnienia, bez dużych zmian prędkości cieczy roboczej. Przykładem układu hydrostatycznego jest prasa hydrauliczna, formuła matematyczna jej działania jest opisywana wzorem (1):
F1 : S1 = F2 : S2
gdzie:
F1 - siła na wejściu,
F2 - siła na wyjściu,
S1 - powierzchnia tłoka napędu,
S2 - powierzchnia tłoka roboczego.
Są to napędy, które nazywa się najczęściej układami hydraulicznymi, układami hydrostatycznymi lub obwodami hydraulicznymi. W układach tych elementem generującym jest pompa, a elementami odbierającymi są siłowniki hydrauliczne, które w zależności od wykonywanego ruchu dzielą się na:
cylindry hydrauliczne, zmieniające energię strumienia cieczy w ruch prostoliniowy,
silniki hydrauliczne zmieniające energię strumienia cieczy na ruch obrotowy.
Poszczególne elementy układów hydraulicznych są połączone między sobą przewodami hydraulicznymi, w których przepływa ciecz hydrauliczna. W niniejszym opracowaniu przedstawiono jedynie specyficzną grupę cieczy hydraulicznych, do układów hydrostatycznych.
2. Rola cieczy hydraulicznej.
Ponieważ układy hydrauliczne znalazły liczne efektywne zastosowania, między innymi w przemysłach: samochodowym, lotniczym, metalurgicznym, zbrojeniowym, tworzyw sztucznych, w automatyce, w obrabiarkach, w rolnictwie, w budownictwie, w robotach publicznych i wielu innych; technika ta dokonuje postępu wielkimi krokami. Obecnie stosowane technologie wymagają spełnienia ściśle określonych i coraz ostrzejszych kryteriów w zakresie:
niezawodności i trwałości stosowanych materiałów konstrukcyjnych,
optymalnych parametrów cieczy hydraulicznych,
łatwego dostosowania układów hydraulicznych do różnych maszyn i innych technologii (na przykład elektroniki),
coraz większych przekazywanych mocy (na przykład moc rzędu 1000 kW w napędach wiertniczych),
coraz mniejszego stosunku masy układów hydraulicznych do przenoszonej mocy,
uproszczenia metod kontroli, przy jednoczesnym zwiększeniu ich precyzji,
łatwej i szybkiej konserwacji.
Wszystkie wymienione czynniki stawiają przed cieczą hydrauliczną wymagania, coraz trudniejsze do spełnienia.
3. Funkcje cieczy hydraulicznych
Ciecz hydrauliczna ma za zadanie przenieść energię z napędu hydraulicznego (najczęściej pompy hydraulicznej) do odbiorników (elementów wykonawczych), takich jak: cylindry i silniki hydrauliczne, wykonujących czynności wymagane przez użytkownika. Musi ona również smarować i chronić przed korozją elementy układu hydraulicznego, a także odprowadzać ciepło. W związku z tym, ciecz hydrauliczna w układach hydraulicznych spełnia następujące cztery podstawowe funkcje:
przenoszenie energii i sygnałów sterujących,
smarowanie powierzchni ruchomych,
odprowadzanie ciepła,
uszczelnianie układu.
oraz następujące funkcje dodatkowe:
zmniejszanie zużycia części układu hydraulicznego,
ochrona przed korozją,
zabezpieczenie przed szkodliwym działaniem wody,
zabezpieczenie przed szkodliwym działaniem powietrza.
Funkcje te należy uwzględnić przy wyborze cieczy hydraulicznej. Celem zapewnienia poprawności działania, trwałości i niezawodności układu hydraulicznego, ciecz hydrauliczna musi posiadać pewne podstawowe właściwości, niezbędne dla przekazywania energii, smarowania i ochrony, tj.:
odpowiednią lepkość,
możliwie jak najmniejsze zmiany lepkości w funkcji temperatury (wysoki wskaźnik lepkości),
wymaganą pompowalność w najniższej temperaturze użytkowania,
małą ściśliwość (na przykład: skłonność do wchłaniania powietrza zwiększa ściśliwość),
brak skłonności do pienienia,
szybkie wydzielanie powietrza,
dobre właściwości przeciwzużyciowe,
dobre właściwości przeciwkorozyjne i przeciwrdzewne,
stabilność w czasie pracy, to znaczy odporność na: utlenianie, ścinanie i degradację termiczną.
Pierwszą używaną cieczą hydrauliczną była woda. Powodowała ona wiele niedogodności: korozję, osadzanie się kamienia kotłowego, odparowywanie, miała zbyt małą lepkość, złe właściwości niskotemperaturowe, a przede wszystkim brak niezbędnych właściwości smarnych i przeciwzużyciowych. Aktualnie, jedynie w niewielu pracujących instalacjach przemysłowych jako cieczy hydraulicznej używa się jeszcze wody; generalnie, z dodatkami przeciwkorozyjnymi. Przeważająca większość układów hydraulicznych, stacjonarnych lub przewoźnych, jest napełniona cieczą hydrauliczną, najczęściej będącą uszlachetnionym olejem mineralnym. Jednakże, w niektórych szczególnych przypadkach, kiedy ciecz hydrauliczna musi być trudnopalna, używa się specjalnych cieczy syntetycznych, w niektórych przypadkach z określoną zawartością wody.
4. Podstawowe właściwości fizykochemiczne cieczy hydraulicznych.
W hydraulice przepływ jest odpowiednikiem prędkości w mechanice, natomiast ciśnienie odpowiednikiem siły. W układzie SI jednostkę ciśnienia P stanowi paskal (1 Pa = 1 N/m2). W praktyce przemysłowej jako jednostkę ciśnienia często stosuje się bary: 1 bar = 105.Pa. Jednostką przepływu Q jest metr sześcienny na sekundę (w praktyce: dm3/min lub litr/min).
4.1. Lepkość
Z wielu względów jest pożądanym, aby ciecz w układzie hydraulicznym miała przepływ laminarny, a nie burzliwy. Przepływ laminarny powoduje znacznie mniejsze opory przepływu niż przepływ burzliwy. Jednym z czynników, które decydują czy przepływ cieczy w konkretnym układzie hydraulicznym, będzie laminarny czy burzliwy, jest lepkość cieczy hydraulicznej. Ze względu na znaczenie tej właściwości cieczy hydraulicznej, przypomnijmy podstawowe pojęcia charakteryzujące lepkość.
Lepkość jest miarą tarcia wewnętrznego cieczy. Lepkość wynika z oporów stawianych przez cząsteczki cieczy. Ciecz o małej lepkości stawia przy przepływie mniejsze opory, niż ciecz o dużej lepkości.
Załóżmy, że mamy do czynienia z przepływem laminarnym, a dwie warstwy cieczy o powierzchni S, odległe od siebie o dx, poruszają się jedna z prędkością v, druga z prędkością v+dv. Przemieszczanie względem siebie dwóch warstw cieczy, w celu przezwyciężenia oporów stycznych cieczy, wymaga siły F. Współczynnik proporcjonalności h , pomiędzy naprężeniem stycznym F/S a gradientem prędkości dv/dx, określa się jako lepkość dynamiczną cieczy. Zależność tę wyraża wzór (2).
Zależnością tą są charakteryzowane, tzw. ciecze newtonowskie. Lepkość cieczy newtonowskiej, w danej temperaturze i pod danym ciśnieniem, jest stała.
Lepkość kinematyczną n definiuje się (3) jako stosunek lepkości dynamicznej h cieczy do jej gęstości r :
Jednostkami lepkości układzie SI są:
lepkość dynamiczna: paskalosekunda, Pa . s,
lepkość kinematyczna: metr kwadratowy na sekundę, m2/s; (w praktyce używa się przede wszystkim jednostki 106 razy mniejszej - mm2/s,).
W układzie CGS:
lepkość dynamiczna: puaz, P; (w praktyce używa się przede wszystkim jednostki 100 razy mniejszej zwanej centypuazem - cP),
lepkość kinematyczna: stokes, St; (w praktyce używa się przede wszystkim jednostki 100 razy mniejszej zwanej centystokesem - cSt).
Wzajemne relacje miedzy tymi jednostkami są następujące:
1 P = 10-1 Pa. s,
1 cSt = 1 mm2/s.
Aby przybliżyć te wielkości dodajmy, że w temperaturze 20oC, lepkość kinematyczna wody, wynosi około 1 mm2/s (1 cSt).
4.2. Pomiar lepkości kinematycznej
(ISO 3104, PN-81/C-04011, ASTM D 445, AFNOR T 60100)
Do pomiaru lepkości kinematycznej używa się przeważnie różnego rodzaju lepkościomierzy kapilarnych. Lepkość kinematyczna jest określana na podstawie czasu przepływu, określonej objętości cieczy przez kalibrowaną kapilarę, w ściśle określonych warunkach pomiaru i w ściśle ustalonej temperaturze, zgodnie z wzorem (4):
n = k . t
gdzie:
n - lepkość kinematyczna,
k - stała kapilary,
t - czas przepływu cieczy o określonej objętości, przez kapilarę.
4.3. Zależność lepkości od temperatury
Lepkość olejów mineralnych zmienia się znacznie wraz z temperaturą, ale różnie dla różnych cieczy. Zmiana ta może być przedstawiona przez wzór empiryczny (5), ustalony przez ASTM, zwany również wzorem Walthera:
log10 log10 (n + 0,6) = m log10 (T + q)
gdzie:
n - lepkość kinematyczna, mm2/s,
T - temperatura bezwzględna, K,
m, q - stałe charakterystyczne cieczy .
We współrzędnych logarytmicznych, zależność ta jest linią prostą lub zbliżoną do prostej.
4.4. Wskaźnik lepkości
(ISO 2909, PN-73/C-04015, ASTM D 2270, AFNOR T 60136)
Na ocenę zmiany lepkości w funkcji temperatury pozwala umowna liczba, nazwana wskaźnikiem lepkości (WL lub IV), którą oblicza się na podstawie porównania zmian lepkości serii różnych olejów wzorcowych, jednej o wskaźniku lepkości WL = 0 (oznaczonego symbolem U), drugiej o wskaźniku lepkości WL = 100 (oznaczonego symbolem H). Oleje wzorcowe zostały parami tak dobrane, że ich lepkość w temperaturze 100oC jest jednakowa, taka sama jak oleju badanego. Tak zdefiniowany wskaźnik lepkości, dla olejów o wskaźniku lepkości z przedziału 0 ... 100 wyraża wzór (6):
WL = 100 (L - U)/(L - H)
gdzie:
L - lepkość oleju wzorcowego serii L, w temperaturze 40oC,
H - lepkość oleju wzorcowego serii H, w temperaturze 40oC,
U - lepkość oleju badanego, w temperaturze 40oC,
Dla olejów o wskaźniku lepkości większym niż 100 odpowiednia zależność ma postać bardziej złożoną.
Zmiana lepkości wraz z temperaturą jest tym mniejsza, im wskaźnik lepkości jest większy. Przykładowe lepkości dwóch olejów o różnych wskaźnikach lepkości, w wybranych temperaturach, podano w tabeli 1.
Przykładowa zależność lepkości cieczy hydraulicznej, w różnych temperaturach, od wskaźnika lepkości
Temperatura,°C |
Lepkość kinematyczna, mm2/s |
|
|
Klasyczny olej parafinowy o wskaźniku lepkości , WL = 100 |
Uszlachetniony olej parafinowy o wskaźniku lepkości, WL = 150 |
-10 |
1373 |
858 |
0 |
550 |
397 |
40 |
46 |
46 |
100 |
6,76 |
8,13 |
4.5. Temperatury odniesienia
W celu określenia lepkości cieczy i wskaźnika lepkości, zostały ustalone temperatury odniesienia. Praktycznie, na całym świecie jako temperatury odniesienia przyjęto: 40oC i 100oC, a lepkość jest wyrażana w mm2/s. Na tej podstawie oparto klasyfikację lepkościową olejów przemysłowych, w tym olejów hydraulicznych. Norma ISO 3448, przyjęta m. in. w PN-78/C-96098 oraz AFNOR NF T 6014 i w normach wielu innych krajów, klasyfikuje oleje przemysłowe w zależności od ich lepkości kinematycznej, w temperaturze 40°C. Fragment tej klasyfikacji, w części odnoszącej się do najczęściej stosowanych klas lepkości olejów hydraulicznych, przedstawiono w tabeli 2.
Najczęściej spotykane klasy lepkości olejów hydraulicznych wg ISO 3448
Symbol klasy lepkości |
Średnia lepkość kinematyczna w temperaturze 40°C, mm2/s |
Granice lepkości kinematycznej w temperaturze 40°C, mm2/s |
|
|
|
minimum |
maksimum |
ISO VG 15 |
15 |
13,5 |
16,5 |
ISO VG 22 |
22 |
19,8 |
24,2 |
ISO VG 32 |
32 |
28,8 |
35,2 |
ISO VG 46 |
46 |
41,4 |
50,6 |
ISO VG 68 |
68 |
61,2 |
74,8 |
ISO VG 100 |
100 |
90,0 |
110,0 |
ISO VG 150 |
150 |
135,0 |
165,0 |
4.6. Zmiana lepkości w funkcji ciśnienia
W stałej temperaturze, lepkość olejów mineralnych wzrasta wraz z ciśnieniem, według wykładniczej zależności (7):
gdzie:
b - empiryczny współczynnik charakteryzujący zależność lepkości od ciśnienia,
- lepkość kinematyczna pod ciśnieniu atmosferycznym,
p - ciśnienie w barach.
Do przybliżonych obliczeń można użyć również następującego uproszczonego wzoru (8):
D V - zmiana lepkości kinematycznej.
Zależność lepkości kinematycznej olejów mineralnych o lepkościach z przedziału 1 ... 100 mm2/s, w zakresie zmian ciśnienia D p = p - po przedstawia nomogram.
Pamietać należy, że zmiana ciśnienia o 300 ... 350 barów może powodować, mniej więcej dwukrotne zwiększenie lepkości.
4.7. Gęstość (masa właściwa)
(ISO 3838, PN-90/C-04004)
Gęstość olejów mineralnych, używanych jako ciecze hydrauliczne zawiera się pomiędzy 0,860 a 0,900 kg/dm3. Natomiast, niektóre ciecze hydrauliczne, jak ciecze trudnopalne, niekiedy mają gęstość powyżej 1 kg/dm3. Warunki techniczne producentów podają gęstość w temperaturze odniesienia: 15 lub 20°C.
4.8. Zmiana gęstości w funkcji temperatury
W pierwszym przybliżeniu, przy niewielkich zmianach temperatury, można przyjąć, że zmiana objętości cieczy D V jest zależna od zmiany temperatury według wzoru (9) :
D V = V* a * D T
Zakładając, że średni temperaturowy współczynnik zmian gęstości "a " dla olejów mineralnych ma wartość:
a = 0,0007* [oC]-1
na podstawie wzoru (9), po odpowiednich przekształceniach matematycznych otrzymuje się wzór (11) pozwalający na obliczenie gęstości w dowolnej temperaturze t (zbliżonej do temperatury 15oC).
gdzie:
r 15 - gęstość w temperaturze 15°C.
4.9. Zależność gęstości od ciśnienia
Ściśliwość czystych olejów mineralnych jest niewielka, jednakże nie można jej pominąć w zastosowaniach przy wysokich ciśnieniach. Jeżeli olej mineralny znajduje się pod działaniem ciśnienia w stałej temperaturze, zmniejszanie objętości jest związane ze wzrostem ciśnienia według zależności (12):
D V = Voc D p
Po odpowiednich przekształceniach otrzymujemy zależność (13), pozwalającą na obliczenie gęstości pod dowolnym ciśnieniem:
gdzie: c jest współczynnikiem ściśliwści.
4.10. Temperatura zapłonu i palenia
(ISO 2592, PN-92/C-04197, ASTM D 92, AFNOR T 60118,)
Temperatura zapłonu jest najniższą temperaturą, przy której mieszanina par oleju i powietrza zapala się w kontakcie z płomieniem.
Temperatura palenia jest najniższą temperaturą, przy której zapalone pary palą się przynajmniej 3 sekundy po oddaleniu płomienia.
Obie te temperatury są mierzone w znormalizowanych przyrządach, zgodnie z dokładnie określoną procedurą zmian temperatury i zapalania, według metody Cleveland.
4.11. Temperatura płynięcia
(ISO 3016, PN-83/ C- 04117, AFNOR T 60105, ASTM D 97)
Temperatura płynięcia jest najniższą temperaturą, w której ciecz schładzana bez mieszania, w znormalizowanych warunkach, jeszcze płynie. Temperatury płynięcia cieczy hydraulicznych różnią się w zależności od surowca, użytego do ich wytworzenia:
-30°C ... -50°C dla cieczy hydraulicznych na bazie olejów syntetycznych (PAO),
-20°C ... -40°C dla cieczy hydraulicznych na bazie olejów z rop naftenowych,
-9°C ... -15°C dla cieczy hydraulicznych na bazie olejów z rop parafinowych.
Dodatki uszlachetniające (depresatory) pozwalają na znaczne obniżenie temperatury płynięcia olejów otrzymywanych z rop parafinowych.
4.12. Ciepło właściwe i przewodność cieplna
Ciepło właściwe Cw jest stosunkiem ilości ciepła D Q, pobranego przez jednostkę masy ciała do przyrostu temperatury D T, podczas tej przemiany.
Cw = D Q/D T
Przewodninictwem cieplnym nazywamy zdolność materii do przenoszenia ciepła i jest opisywana wzorem (15):
D Q/ D t= - lAD T/ D x
gdzie:
D Q/D t - szybkość przepływu ciepła przez powierzchnie A
D T/D x - gradient temperatury
l - współczynnik przewodności cieplnej.
Dla rozważań ogólnych można przyjąć, że :
współczynnik przewodności cieplnej mineralnych olejów hydraulicznych l = 0,134 W/m.°C,
ciepło właściwe mineralnych olejów hydraulicznych w zakresie temperatur 0 ... 100°C, wynosi w przybliżeniu około 1,88 ... 2,1 kJ/kg°C. Jest to wartość około pięciu razy mniejsza niż w przypadku wody, co np. tłumaczy fakt, że instalacje z emulsjami wodnymi pracują w temperaturach o 20 ... 30°C niższych od temperatury pracy układów olejowych.
4.13. Punkt anilinowy
(ISO 2977, PN- 82/C-04028, AFNOR M 07-21, ASTM D 611)
Rozpuszczalność aniliny w olejach jest zależna od zawartości w oleju poszczególnych grup węglowodorów, a w szczególności od zawartości związków aromatycznych. Im większa zawartość aromatów, tym niższy punkt anilinowy. Punkt anilinowy definiuje się jako najniższą temperaturę, przy której równe objętości aniliny i badanego oleju całkowicie się mieszają. Punkt anilinowy cieczy hydraulicznych, na bazie mineralnych olejów, zawiera się przeważnie pomiędzy 90 a 110°C. Punkt anilinowy pozwala, w pewnym stopniu, przewidzieć działanie oleju na elastomery (uszczelki). Jednakże, znajomość punktu anilinowego nie zastępuje bezpośrednich pomiarów. Im niższy punkt anilinowy oleju, tym obserwowane pęcznienie gumy będzie większe.
4.14. Liczba kwasowa
(ISO 6618, PN-88/C-04049 lub PN-85/C-04066, AFNOR NF T 60112, ASTM D 974)
Liczba kwasowa (LK, TAN) jest to ilość miligramów wodorotlenku potasowego (KOH), niezbędnego do zobojętnienia nie związanych kwasów, znajdujących się w jednym gramie cieczy hydraulicznej. Pomiar jest dokonywany poprzez miareczkowanie cieczy hydraulicznej, alkoholowym roztworem wodorotlenku potasowego wobec barwnego wskaźnika (lub potencjometrycznie do określonego pH). Wiele uszlachetnionych cieczy hydraulicznych wykazuje, w stanie świeżym, dość dużą liczbę kwasową, wynikającą z reakcji wodorotlenku potasowego z dodatkami uszlachetniającymi.
5. Właściwości użytkowe cieczy hydraulicznych
5.1. Badanie właściwości przeciwzużyciowych cieczy hydraulicznych
Jedną z podstawowych cech użytkowych cieczy hydraulicznych są właściwości smarne i przeciwzużyciowe. Urządzenia hydrauliczne, szczególnie pompy, są to urządzenia bardzo precyzyjne; ciecz hydrauliczna nie powinna powodować nadmiernego zużycia, które prowadziłoby do zwiększenia luzów, co może powodować utratę ich sprawności. Wysokie ciśnienia stanowią czynnik podwyższający ryzyko zużycia i jego konsekwencje. Liczne dodatki uszlachetniające, organiczne lub metaloorganiczne pozwalają nadać cieczy hydraulicznej wymagane właściwości przeciwzużyciowe, nawet przy bardzo dużych ciśnieniach. Tworzą one na chronionej powierzchni metalu, warstewkę filmu olejowego uniemożliwiającą mikrozatarcia.
Właściwości przeciwzużyciowe określa się dwoma uzupełniającymi się rodzajami prób (testów), przy użyciu :
maszyn do prób zużycia i tarcia,
hydraulicznych stanowisk badawczych.
Ze względu na znaczną liczbę maszyn do badań zużycia i tarcia, dalej wymienimy tylko te z nich, które są najczęściej stosowane do badań cieczy hydraulicznych.
5.2. Maszyna czterokulowa
( PN-76/C-04147, ASTM D 2783, AFNOR NF E 48617)
W maszynie czterokulowej trzy kulki, ściśnięte w miseczce, zawierającej badaną ciecz hydrauliczną, są unieruchomione nakrętką dociskową i naciskane ze zmiennym odciążeniem przez czwartą kulkę, połączoną sztywno z uchwytem, zamocowanym na wale silnika elektrycznego. Rozróżnia się dwa podstawowe typy maszyn czterokulowych :
typ "EP" - wg normy ASTM D 2783,
typ "zużycie" - wg normy AFNOR NF E 48617.
Dla cieczy hydraulicznych przeprowadza się przede wszystkim próbę typu "zużycie". Pomiar średnicy śladu zużycia powstałego na skutek tarcia na powierzchni kulek, po jednogodzinnej próbie, przy obciążeniu 40 daN, pozwala ocenić właściwości przeciwzużyciowe cieczy hydraulicznej.
Przykładowe średnice śladu zużycia:
olej mineralny bez dodatków - średnica śladu >0,8 mm,
olej mineralny z dodatkami przeciwzużyciowymi - średnica śladu <0,5 mm,
ciecz trudnopalna HFC - średnica śladu <0,8 mikrometrów
5.3. Maszyna Timken
(PN-86/C-04073, ASTM D 2782, IP 240,)
W teście Timken pierścień stalowy obraca się wokół osi poziomej i trze blok z twardej stali, naciskający na niego z określoną i zmienną siłą. Ciecz jest wtryskiwana w punktach styku. Próby są dokonywane przy stałej prędkości i wzrastającym obciążeniu. Ciecze są klasyfikowane według porównania wyników pomiarów: obciążenia zatarcia, współczynnika tarcia, powierzchni odcisku.
5.4. Maszyna FZG
(PN-78/C-04169, DIN 51354)
Cześć testową maszyny FZG stanowi przekładnia zębata z kołami o zębach prostych, smarowana badanym olejem i poddana określonemu momentowi (parze sił). W czasie wykonywania testu maszyna funkcjonuje w przeciągu ustalonego czasu. Przekładnia zębata jest sukcesywnie poddawana rosnącemu momentowi, a krzywą zużycia wykreślana się w funkcji czasu pracy. Po zakończeniu próby dokonuje się oględzin zębów oraz waży się koła zębate, w celu oceny ich zużycia, podczas pracy. Odnotowywane jest również obciążenie, od którego przekładnia zębata wykazuje znaczne pogorszenie jakości pracy.
Próbę tę utrzymano w stosowanej powszechnie normie DIN 51524 w części II, dotyczącej mineralnych olejów hydraulicznych o podwyższonych właściwościach przeciwzużyciowych. W przypadku tych olejów hydraulicznych jest wymagany poziom zużycia przekładni > 10 (ustalony według specjalnej procedury).
5.5. Hydrauliczne stanowisko badawcze (pompa Vickersa)
(PN-87/C-04048, ASTM D 2882,AFNOR NF E 48617)
Korelacja metod badawczych z praktyką eksploatacyjną nie zawsze jest łatwa do określenia. W związku z tym, opracowano metody badań na stanowisku, wykorzystującym rzeczywiste elementy układów hydraulicznych.
Najbardziej znane metody tego typu wykorzystują pompy łopatkowe Vickers V 104 C lub V 105 C. Polegają one na pomiarach (po pracy w ustalonych warunkach) ubytku masy stojana i łopatek specjalnej pompy testowej. W zależności od wymagań stawianych cieczy hydraulicznej, istnieje wiele wersji tej metody, różniących się od siebie ciśnieniem, prędkością, temperaturą lub czasem próby. Dla cieczy hydraulicznych, badanych wg norm ASTM D 2882 oraz AFNOR E 48617, stosuje się stanowisko badawcze, którego schemat przedstawiono na rysunku 16.
Przykładowo, przy stosowaniu metody AFNOR, ciecze hydrauliczne mające dobre właściwości przeciwzużyciowe, dają następujące wyniki:
stojan pompy: strata masy < 120 mg,
łopatki pompy: strata masy < 30 mg.
5.6. Zachowanie się cieczy hydraulicznej wobec powietrza
Obecność powietrza w układzie hydraulicznym zawsze pociąga za sobą poważne zakłócenia:
zwiększa ściśliwość mieszaniny powietrze-ciecz,
przyśpiesza utlenianie oleju,
powoduje wzrost temperatury, związany ze zwiększoną ściśliwością, a tym samym przyspieszone starzenie oleju,
niedostateczne smarowanie,
kawitację.
Z tych względów układ hydrauliczny należy tak konstruować i eksploatować, aby uniknąć przedostawania się do niego powietrza. W odniesieniu do cieczy hydraulicznej, konieczne jest zapewnienie właściwości przeciwpiennych i szybkiego wydzielania powietrza. Specjalne dodatki mają uniemożliwić tworzenie piany na powierzchni.
5.7. Skłonność do pienienia
(ISO 6247, PN-85/C-04055, ASTM D 892, AFNOR T 60129)
Powstawanie piany w układzie hydraulicznym stwarza niebezpieczeństwo przecieku, przelewania lub ponownego zasysania powietrza, a w konsekwencji zakłócenia sygnalizowane w punkcie 5.6. Właściwości te są oceniane na podstawie próby, która polega na wdmuchiwaniu powietrza z butli lub sprężarki do badanej cieczy hydraulicznej i mierzeniu objętości oraz trwałości wytworzonej piany, w różnych temperaturach.
5.8. Szybkość wydzielania powietrza
(PN-79/C-04174, DIN 51381, AFNOR T 60149)
Jeżeli mimo wszystko, powietrze dostanie się do układu z jakiegokolwiek powodu, ważne jest, aby mogło ono jak najprędzej zostać wydzielone z cieczy hydraulicznej. Szybkość wydzielania powietrza jest oceniana poprzez próbę, która polega na nasyceniu próbki cieczy powietrzem wdmuchiwanym przez dyszę. Następnie śledzi się zmiany zawartości powietrza w cieczy, w funkcji czasu, poprzez pomiar gęstości przy użyciu wagi hydrostatycznej. W tej próbie, ciecze hydrauliczne o średniej lepkości 32 ... 68 mm2/s (w temperaturze 40°C), mają czas wydzielania powietrza w granicach 5 ... 10 minut.
5.9. Zachowanie wobec wody
Woda może przedostawać się do obwodów układów hydraulicznych poprzez:
nieszczelność w wymienniku ciepła,
kondensację wilgoci atmosferycznej po każdym zatrzymaniu,
przenikanie, przy braku szczelności (uszczelki cylindra, uszczelki zbiornika) ze środowiska zewnętrznego,
przedostawanie się emulsji olejowo-wodnej z obrabiarki.
Obecność wody sprawia, że ciecz hydrauliczna musi posiadać następujące właściwości:
przeciwrdzewne,
odporność na hydrolizę,
brak skłonności do tworzenia emulsji (odporność na emulgowanie).
5.10. Właściwości przeciwrdzewne
(PN-81/C-04082, ASTM D 665, IP 135)
Należy wykluczyć obecność jakichkolwiek śladów korozji na bardzo precyzyjnie spasowanych elementach układów hydraulicznych. Jest istotne, aby ciecz hydrauliczna miała bardzo dobre właściwości przeciwrdzewne. Właściwości takie są uzyskiwane w wyniku zastosowania dodatków uszlachetniających, których zadaniem jest zwiększenie powinowactwa oleju do powierzchni metalowych. Właściwości przeciwrdzewne można oszacować dzięki testowi, w którym trzpienie z polerowanej stali, zanurzone w mieszaninie 90% oleju i 10% wody, w temperaturze 60°C, przez 24 godziny, nie wykażą śladów korozji.
5.11. Odporność na hydrolizę (test "Coca-Cola")
(PN-88/C-04084, ASTM D 2619)
Dodatki obecne w cieczy hydraulicznej (przeciwutleniające, przeciwkorozyjne, przeciwzużyciowe) nie mogą ulegać rozkładowi pod wpływem wody. Rozkład taki (zwany hydrolizą) powodowałby, poza utratą skuteczności dodatków, zjawisko korozji i powstawanie osadów. Celem sprawdzenia tej właściwości, próbkę 75 g cieczy hydraulicznej i 25 g wody oraz płytkę miedzianą umieszcza się w butelce typu "Coca-Cola". Butelka jest poddawana powolnej rotacji w ciągu 48 godzin w termostacie, w temperaturze 93°C. Po zakończeniu próby notuje się zmianę masy płytki miedzianej oraz liczbę kwasową fazy wodnej.
5.12. Odporność na tworzenie emulsji (deemulgowanie)
(PN-86/C-04065, ASTM D 1401, AFNOR T 60125,)
Jeżeli ciecz hydrauliczna jest poddawana regularnym i licznym kontaktom z wodą (co może wynikać ze specyfiki układu), niezbędne staje się używanie takiej cieczy hydraulicznej, która jest szczególnie odporna na emulgowanie, to znaczy takiej, która szybko oddziela się od wody bez tworzenia trwałej emulsji. Właściwość ta pozwala na prawie całkowite odprowadzenie wody z układu hydraulicznego, poprzez separację w zbiorniku. Odporność cieczy hydraulicznych na tworzenie emulsji jest oceniana w teście, który polega na mieszaniu równych (40 ml cieczy hydraulicznej i 40 ml wody) objętości wody i cieczy hydraulicznej, łopatkami obracających się z prędkością 1500 obr/min. Obserwuje się utworzoną emulsję i mierzy się czas jej rozdzielania. Jako wynik podaje się w kolejności: objętość warstwy: olejowej, wodnej i emulsji, oraz czas rozwarstwienia.
Przykładowe wyniki:
40-40-0 w 20 minut oznacza, że całkowite rozdzielenie warstw następuje po 20 minutach,
39-35-6 w 60 minut oznacza, że po upływie 60 minut obserwuje się 39 ml oleju, 35 ml wody i 6 ml emulsji.
5.13. Właściwości przeciwkorozyjne
(ISO 2160, PN-85/C-04093, ASTM D 130, AFNOR M 07015)
Ciecz hydrauliczna nie powinna oddziaływać korozyjnie metale kolorowe, a w szczególności na miedź. Zachowanie wobec tego metalu jest oceniane na podstawie odniesienia do wzorców korozji zmian zabarwienia testowej płytki miedzianej, zanurzonej w ocenianej cieczy hydraulicznej, przez 3 godziny, w temperaturze 100°C.
5.14. Odporność na utlenianie
(ASTM D 943)
Każdy wzrost temperatury, nawet chwilowy, może powodować pogarszanie się jakości cieczy hydraulicznej poprzez jej utlenianie i rozpad termiczny. Warunki pracy niektórych układów mają tendencję do dosyć silnego rozgrzewania cieczy hydraulicznej (temperatura powyżej 60°C). W takiej sytuacji jest konieczne, aby ciecz hydrauliczna miała dobre właściwości przeciwutleniające, co zapewnia dobrą trwałość cieczy bez ryzyka starzenia, korozji lub zanieczyszczania układu.
Pośród wielu możliwych prób starzenia, zazwyczaj stosuje się test, polegający na poddawaniu oleju mieszaniu przy użyciu sprężonego tlenu, w obecności wody oraz katalizatorów: żelaznego i miedzianego, w temperaturze 95°C. Po zakończeniu próby, która trwa na ogół 1 000 lub 2 000 godzin, mierzy się liczbę kwasową (LK, TAN) i ilość utworzonych osadów.
5.15. Odporność na ścinanie
(CEC L-14-T, PN-77/C-04165, DIN - 51382)
Przy obecnym stanie techniki rafinacji, większość bazowych olejów mineralnych, stosowanych do produkcji cieczy hydraulicznych, ma naturalne wskaźniki lepkości zawarte między 95 a 105. Znaczna część cieczy hydraulicznych, dostępnych na rynku, ma wskaźniki lepkości odpowiadające tym wartościom; są to tzw. oleje o "naturalnym wskaźniku lepkości". Jeżeli chce się otrzymać ciecze hydrauliczne o wyższym wskaźniku lepkości, konieczne jest wprowadzenie dodatków, nazywanych modyfikatorami wskaźnika lepkości (wiskozatory). Dodatki takie są polimerami o długich łańcuchach. Wiskozatory muszą być ostrożnie dobierane, ponieważ niektóre z nich mają tendencję do "ścinania" podczas pracy (rozrywanie łańcucha cząsteczki polimeru, np. przy przechodzeniu między powierzchniami trącymi). Zjawisko to pociąga za sobą zmniejszenie lepkości i wskaźnika lepkości.
Aby określić odporność cieczy hydraulicznych na ścinanie, najczęściej stosuje się aparat Orbahn według normy DIN 51382. Metoda ta polega na poddawaniu określonej objętości cieczy hydraulicznej, ustalonej liczbie przejść (250), poprzez klasyczny wtryskiwacz firmy Bosch. Nagłe rozprężenie (od 175 do 0 barów), po przejściu przez bardzo wąski otwór (2 ... 5 m m) poddaje ciecz bardzo dużym naprężeniom ścinającym. Mierzy się spadek lepkości po próbie.
5.16. Oddziaływanie na elastomery
(AFNOR NF E 48610)
Ciecze hydrauliczne, giętkie przewody, uszczelki statyczne i dynamiczne w układzie hydraulicznym powinny być dobrane w taki sposób, aby nie wykazywały wzajemnego niekorzystnego oddziaływania. Uszczelki powinny być dobrane również zgodnie z zakładanym zakresem temperatur pracy. Jak wspomniano wcześniej, punkt anilinowy daje tylko przybliżone informacje o zachowaniu olejów mineralnych wobec kauczuków. Ciecze hydrauliczne o niskich punktach anilinowych mogą powodować pęcznienie, natomiast ciecze o wysokich punktach anilinowych powodują skurcz. Jednakże czynnikiem decydującym o intensywności i rodzaju zachodzących zmian jest typ elastomeru, z którego są wykonane uszczelnienia. Dlatego też, producenci uszczelnień określają optymalny punkt anilinowy dla swojego wyrobu przeprowadzając próby z olejami odniesienia: ASTM 1, 2 i 3, o punktach anilinowych odpowiednio 124, 93 i 60°C. Pomiary te mogą być uzupełniane badaniem twardości i innych mechanicznych właściwości uszczelek. Próby zgodności są często wykonywane przez laboratoria naftowe.
5.17. Próby specjalne dla trudnopalnych cieczy hydraulicznych
Celem sprawdzenia właściwości trudnopalnych cieczy hydraulicznych zostały opracowane różne specyficzne testy, na przykład:
próba w strumieniu rozpylonym pod wysokim ciśnieniem, z osłoną,
próba odporności na spalanie w silniku ze zmiennym stopniem sprężania,
próba rozprzestrzeniania się ognia, w mieszance złożonej z pyłu węglowego i cieczy trudnopalnych.
Ponadto, dla tego typu cieczy hydraulicznych, sprawdza się toksyczność w stanie świeżym i po rozkładzie termicznym.
Według rodzaju zastosowania, używa się dwóch grup cieczy hydraulicznych:
mineralne ciecze hydrauliczne (oleje hydrauliczne) ,
ciecze trudnopalne.
6. Ciecze hydrauliczne
6.1. Mineralne ciecze hydrauliczne
Według norm: PN-91/C-96057/1, ISO 6743/4, NF E 48602, rozróżnia się następujące klasy jakościowe cieczy hydraulicznych, do układów hydrostatycznych:
ciecze typu HH: oleje mineralne nieuszlachetnione (czyste oleje bazowe),
ciecze typu HL: oleju mineralne, posiadające specjalne właściwości przeciwutleniające i antykorozyjne,
ciecze typu HM: ciecze typu HL, posiadające specjalne właściwości przeciwzużyciowe,
ciecze typu HR: ciecze typu HL, posiadające polepszone właściwości lepkościowo-temperaturowe,
ciecze typu HV: ciecze typu HM, posiadające polepszone właściwości lepkościowo-temperaturowe,
ciecze typu HS: oleje syntetyczne, dla których nie jest wymagana trudnopalność,
ciecze typu HG: ciecze typu HM, przeznaczone do układów hydraulicznych i prowadnic obrabiarek, posiadające właściwości anty stick-slip.
W praktyce eksploatacyjnej wygląda to następująco:
ciecze typu HM i HV są najczęściej stosowane.
ciecze typu HH są czystymi olejami mineralnymi, które spełniają właściwie podstawową rolę płynów hydraulicznych, to jest przekazywanie energii, ale nie zapewniają ochrony, smarowania, itd.,
ciecze typu HL są w większości olejami typu "turbinowego". Przedstawiają doskonałą odporność na działanie wody. Są zalecane do urządzeń o średnim ciśnieniu oraz wtedy, kiedy dodatki przeciwzużyciowe nie są konieczne,
6.2. Inne rodzaje olejów hydraulicznych
Jako ciecze hydrauliczne bywają stosowane inne specyficzne oleje mineralne, na przykład:
oleje mineralne lub syntetyczne o bardzo wysokim wskaźniku lepkości i bardzo niskiej temperaturze płynięcia do zastosowań w niskich temperaturach (np. w lotnictwie) ; odpowiadające wojskowym normom: AIR 3520, MIL-H-5808, WTWT-MPS-003, (kod NATO H-520 - ciecz normalna) i (kod NATO H-515 - ciecz mikrofiltrowana),
oleje silnikowe oraz oleje do przekładni hydrokinetycznych; oleje te posiadają większość właściwości olejów hydraulicznych. Są one zalecane, przez różnych producentów maszyn budowlanych, równolegle z olejami hydraulicznymi,
oleje hydrauliczne z detergentami; są to oleje odpowiadające kategorii HM, lecz z możliwością pochłaniania pewnych ilości wody.
Tabela 3
Ciecze hydrauliczne ELF
Klasa cieczy hydraulicznej |
Nazwa cieczy hydraulicznej w gamie cieczy firmy ELF |
HL |
ELF POLYTELIS |
HM |
ELFOLNA DS, ELFOLNA HMD |
HV |
HYDRELF DS, HYDRELF BIO 46 |
6.3. Trudnopalne ciecze hydrauliczne
W niektórych zastosowaniach, obecność substancji łatwopalnych lub poddawanych bardzo wysokim temperaturom może spowodować zapalenie cieczy hydraulicznych na bazie olejów mineralnych, na przykład podczas przypadkowego pęknięcia giętkiego przewodu. W takim przypadku, jest konieczne stosowanie trudnopalnych cieczy hydraulicznych. Ciecze takie zostały głównie opracowane dla potrzeb przemysłu węglowego, np. we Francji przez Francuskie Kopalnie Węgla (Charbonnages de France). Spełniają one również wymagania odpowiednich PN i innych polskich dokumentów normatywnych.
Część norm NF E 48602 i NF E 48603 odnośnie płynów trudnopalnych jest zgodna z pracami Charbonnages de France i CECA (EWWS - Europejska Wspólnota Węgla i Stali).
Istnieją następujące rodzaje trudnopalnych cieczy hydraulicznych:
ciecze typu HFAE: emulsje oleju w wodzie, z zawartością wody powyżej 80%,
ciecze typu HFAS: roztwory wodne substancji chemicznych, z zawartością wody powyżej 80%,
ciecze typu HFC: roztwory wodne polimerów, z zawartością wody poniżej 80%,
ciecze typu HFDR: ciecze syntetyczne na bazie estrów fosforanowych, nie zawierające wody,
ciecze typu HFDS: ciecze syntetyczne nie zawierające wody, na bazie węglowodorów chlorowcopochodnych,
ciecze typu HFDT: ciecze syntetyczne nie zawierające wody, utworzone z mieszanin cieczy HFDR i HFDS,
ciecze typu HFDU: ciecze syntetyczne nie zawierające wody, utworzone z innych składników.
W przemysłowych układach hydraulicznych, najczęściej używanymi trudnopalnymi cieczami hydraulicznymi są rodzaje: HFC, HFDR i HFDU.
Tabela 4
Trudnopalne ciecze hydrauliczne ELF
Klasa cieczy hydraulicznej |
Nazwa cieczy hydraulicznej w gamie cieczy firmy ELF |
HFC |
PYRELF HFC 46 |
HFDR |
PYRELF DR 46 |
HFDU |
PYRELF HFDU 46 |
7. Filtracja cieczy hydraulicznych
7.1. Dlaczego potrzebna jest filtracja?
Konieczne jest, aby ciecz robocza była czysta, to znaczy nie zawierała wody lub cząstek stałych, które mogłyby prowadzić do zniszczenia układu hydraulicznego lub zatkania filtrów. Z tego względu, jest wymagana inna ważna właściwość cieczy hydraulicznej - filtrowalność. Może ona być zdefiniowana jako zdolność cieczy do poddania filtracji, poprzez system filtracyjny układu hydraulicznego, bez blokowania filtrów, w obecności lub braku wody. Zła filtrowalność cieczy hydraulicznej może być spowodowana niewłaściwym procesem produkcji cieczy, na przykład użyciem:
składników niewystarczająco oczyszczonych,
składników prowadzących do tworzenia substancji galaretowatych, pochodzących z reakcji dodatków uszlachetniających oleju z wodą, obecną w układzie.
Zanieczyszczona ciecz hydrauliczna spowoduje wadliwą pracę urządzenia. Udowodniono, że nieodpowiednia czystość cieczy hydraulicznej jest przyczyną ponad 80% awarii. Tak więc, jeśli chcemy, aby maszyny działały prawidłowo, musimy zadbać o odpowiednią filtrację cieczy hydraulicznej.
7.2. Źródła zanieczyszczeń
Zanieczyszczenia układów hydraulicznych mogą pochodzić z czterech głównych źródeł:
zanieczyszczenia, związane z funkcjonowaniem różnych części składowych układu (pompa, zbiornik, odbiorniki, elementy sterujące),
zanieczyszczenia zewnętrzne, które mogą przedostawać się do układu przez przewody, zawory, trzpienie siłowników, obudowy pomp i silników,
zanieczyszczenia własne instalacji hydraulicznej, związane z produkcją, takie jak: wylewki produkcyjne, piasek z form odlewniczych, farby,
zanieczyszczenia dodatkowe, mogące przedostać się na przykład w czasie uzupełniania płynu hydraulicznego, konserwacji urządzeń.
7.3. Zanieczyszczenia
Zanieczyszczenia mechaniczne mogą różnić się znacznie między sobą i ich podziału można dokonać według różnych kryteriów:
wielkości cząstek,
natury chemicznej: nieorganiczne, organiczne,
twardości,
reaktywności chemicznej,
kształtu,
rozpuszczalności w cieczy hydraulicznej,
charakteru elektrycznego.
7.4. Źródła zanieczyszczeń
Cząstki stałe o wymiarach większych od 15 m m (nie uzbrojonym okiem są widoczne cząstki o wymiarach większych od 40 m m). Źródłami zanieczyszczeń cieczy hydraulicznych o takich wymiarach mogą być:
kawitacja w układzie hydraulicznym,
pozostałości obróbki mechanicznej lub spawania (elementy instalacji, takie jak: bloki, rury, zawory, złączki),
pozostałości odlewnicze (korpusy pomp, zaworów),
elementy uszczelnień (kawałki uszczelek).
Cząstki stałe o wymiarach 5.... 15 m m.
Ten typ cząstek stanowi około 70% zanieczyszczeń spotykanych w cieczy hydraulicznej.
Możliwe źródła powstawania:
zanieczyszczenia własne cieczy hydraulicznej (pochodzące na przykład z opakowań),
zanieczyszczenia zewnętrzne (pył),
włókna tworzyw przewodów giętkich.
Cząstki stałe o wymiarach 3 ... 5 m m (rys. 19).
Możliwe źródła powstawania :
drobne zanieczyszczenia metaliczne, powstające w wyniku ścierania pracujących części,
dodatki do płynów hydraulicznych,
cząstki nie odfiltrowane,
tlenki metali.
7.5. Współczynnik filtracji i skuteczność filtracji
Jakość filtrów, stosowanych w układach hydraulicznych, ocenia się dwoma podstawowymi parametrami:
Współczynnik filtracji b x (16) - określa się jako stosunek liczby cząstek wymiarze x znajdujących się przed filtrem, do liczby cząstek o tym samym wymiarze x za filtrem (gdzie x jest wymiarem cząstki w mikrometrach).
gdzie:
n1 - liczba cząstek przed filtrem,
n2 - liczba cząstek za filtrem.
Skuteczność (efektywność) filtracji ef (18) - określa się stosunek różnicy liczby cząstek zanieczyszczeń przed n1 i za filtrem n2 , do liczby cząstek przed filtrem, wyrażony w procentach.
na przykład:
Jeśli liczba cząstek zanieczyszczeń o wymiarach 20 m m w cieczy hydraulicznej przed filtrem wynosi 100 000 szt. , a po przejściu przez filtr 10 000 szt. to:
7.6. Charakterystyka filtrowalności cieczy hydraulicznej
Charakterystyki filtrowalności cieczy hydraulicznych są oceniane przy zastosowaniu wielu testów
Jednym z nich jest badanie filtrowalności metodą DENISON TP 02 100. Test ten jest przeznaczony do sprawdzania filtrowalności olejów hydraulicznych. Charakterystykę filtrowalności ocenia się przez porównywanie czasu filtracji 100 ml cieczy hydraulicznej zawierającej wodę (<2%) i przy braku wody, według określonej procedury, poprzez membranę filtracyjną o nominalnej średnicy porów 1,2 m m.
Stanowisko badawcze, opracowane przez firmę ELF, pozwala śledzić zmianę filtrowalności cieczy w obecności różnych zanieczyszczeń: wody i produktów utleniania. Próba ta polega na oszacowaniu, w rzeczywistym obwodzie hydraulicznym o niskim ciśnieniu (100 barów), tworzenia się nierozpuszczalnych substancji, podczas chemicznej degradacji cieczy hydraulicznej. Obserwuje się zmiany zatykania filtra 5 m m, umieszczonego w obwodzie, poprzez pomiar spadku ciśnienia na filtrze.
7.7. Czystość cieczy hydraulicznych
Czystość cieczy hydraulicznych określa się dwoma podstawowymi parametrami:
zawartością zanieczyszczeń,
składem granulometrycznym.
Zawartość zanieczyszczeń najczęściej jest mierzona tzw. analizą grawimetryczną. Polega ona na filtrowaniu 100 ml oleju badanego poprzez membranę filtrującą o nominalnej średnicy porów 0,8 m m. Poprzez ważenie membrany czystej i z zanieczyszczeniami, określa się ilość nierozpuszczalnych osadów w jednostce objętości cieczy hydraulicznej ( najczęściej w mg/100 ml).
Skład granulometryczny ocenia się na podstawie zliczania cząstek zanieczyszczeń o określonych wymiarach, przypadających na jednostkę objętości cieczy (najczęściej w 1 ml lub 100 ml)
Metody polegające na zliczaniu cząsteczek zanieczyszczeń:
pod mikroskopem (np. metoda AFNOR NF E 48651), polegająca na filtrowaniu określonej objętości cieczy, przez membranę filtracyjną, która jest następnie badana pod mikroskopem, w celu zliczenia cząsteczek i pogrupowania na frakcje wymiarowe,
przy użyciu automatycznego licznika cząstek, mierzącego zmianie natężenia strumienia świetlnego zatrzymywanego przez cząsteczki stałe obecne w cieczy. Ten typ przyrządu pozwala automatyczną klasyfikację wielkości zanieczyszczeń.
Na podstawie zliczeń cząstek poziom zanieczyszczenia cieczy hydraulicznej jest wyrażany według dwóch głównych systemów:
NAS 1638
ISO 4406.
Specyfikacja amerykańska NAS 1638 określa 14 klas czystości cieczy, w zależności od liczby cząstek, o średnicach z określonych przedziałów wymiarowych. Klasyfikacje tę przedstawiono w tabeli 5.
Klasy czystości według NAS 1638 (styczeń 1964) - liczba cząstek w 100 cm3 cieczy
Klasa czystości |
Liczba cząstek o średnicach z przedziału wymiarowego, mikrometry |
||||
|
5 ... 15 |
15 ... 25 |
25 ... 50 |
50 ... 100 |
>100 |
00 |
125 |
22 |
4 |
1 |
0 |
0 |
250 |
44 |
8 |
2 |
0 |
1 |
500 |
89 |
16 |
3 |
1 |
2 |
1 000 |
178 |
32 |
6 |
1 |
3 |
2 000 |
356 |
63 |
11 |
2 |
4 |
4 000 |
712 |
126 |
22 |
4 |
5 |
8 000 |
1 425 |
253 |
45 |
8 |
6 |
16 000 |
2 850 |
506 |
90 |
16 |
7 |
32 000 |
5 700 |
1 012 |
180 |
32 |
8 |
64 000 |
11 400 |
2 025 |
360 |
64 |
9 |
128 000 |
22 800 |
4 050 |
720 |
128 |
10 |
256 000 |
45 600 |
8 100 |
1 440 |
256 |
11 |
512 000 |
91 200 |
16 200 |
2 880 |
512 |
12 |
1 024 000 |
182 400 |
32 400 |
5 760 |
1 024 |
Poziomy czystości cieczy wg ISO 4406 są określane przez dwie umowne liczby odpowiadające:
liczbie cząsteczek o średnicach powyżej 5 m m w 100 ml cieczy,
liczbie cząsteczek o średnicach powyżej 15 m m w 100 ml cieczy.
W tabeli 6 przedstawiono zasady przypisywania poziomu czystości wg ISO 4406, na podstawie zliczania cząstek. Można również posługiwać się siatką ISO 4406. Łącząc linią prostą punkty odpowiadające liczbie cząstek o średnicach większych od 5 i 15 mikrometrów, na podstawie tej siatki, można z dobrym przybliżeniem odczytać liczbę cząstek o średnicach większych od dowolnie wybranej, z przedziału wymiarowego 5 ... 15 mikrometrów. Zasady opracowania wyników pomiarów składu granulometrycznego wg ISO 4406 znormalizowano w normie ISO 3938.
Tabela 6
Przykładowe poziomy czystości wg ISO 4406
Poziom czystości ISO |
Liczba cząstek w 100 ml cieczy, o średnicach większych od: |
|
|
5 mikrometrów |
15 mikrometrów |
20/17 |
500 000 ... 1 000 000 |
64 000 ... 130 000 |
19/16 |
250 000 ... 500 000 |
32 000 ... 64 000 |
18/15 |
130 000 ... 250 000 |
16 000 ... 32 000 |
17/14 |
64 000 ... 130 000 |
8 000 ... 16 000 |
16/13 |
32 000 ... 64 000 |
4 000 ... 8 000 |
15/12 |
16 000 ... 32 000 |
2 000 ... 4 000 |
14/11 |
8 000 ... 16 000 |
1 000 ... 2 000 |
13/10 |
4 000 ... 8 000 |
500 ... 1 000 |
12/9 |
2 000 ... 4 000 |
250 ... 500 |
11/8 |
1 000 ... 2 000 |
130 ... 250 |
11/7 |
1 000 ... 2 000 |
64 ... 130 |
10/7 |
500 ... 1 000 |
64 ... 130 |
10/6 |
500 ... 1 000 |
32 ... 64 |
9/6 |
250 ... 500 |
32 ... 64 |
8/5 |
130 ... 250 |
16 ... 32 |
7/4 |
64 ... 130 |
8 ... 16 |
6/3 |
32 ... 64 |
4 ... 8 |
5/2 |
16 ... 32 |
2 ... 4 |
4/1 |
8 ... 16 |
1 ... 2 |
3/1 |
4 ... 8 |
1 ... 2 |
2/0 |
2 ... 4 |
0,5 ... 1 |
1/0,9 |
1 ... 2 |
0,25 ... 0,5 |
Stosowane są również inne systemy oceny stanu czystości cieczy według norm: MIL STD 1246 A, SAE -791, GOST 17216-71. Istnieją zależności pozwalające na przeliczanie z jednego systemu na inne.
8. Przyczyny zużycia
8.1. Zużycie ścierne
Zużycie ścierne jest powodowane przez cząstki, o wymiarach zbliżonych do wielkości luzów technologicznych pomiędzy współpracującymi powierzchniami. Powstają bruzdy i wyżłobienia na powierzchniach, wzrastają luzy i naprężenia zmęczeniowe w obciążonych częściach.
8.2. Erozja
W czasie pracy układu ciecz hydrauliczna, a co za tym idzie, cząstki w niej zawieszone podlegają znaczącym przyspieszeniom. Energia kinetyczna (E=mv2/2) tych cząstek (pomimo ich małej masy) może być znaczna, bowiem osiągają one prędkości do 120 m/s. Uderzenia cząstek w powierzchnie materiału powoduje wyrwanie jego fragmentów. Zjawisko to jest nazywane erozją.
8.3. Zużycie na skutek kontaktów powierzchniowych
Podczas prawidłowej eksploatacji, współpracujące powierzchnie są oddzielone filmem olejowym. W przypadku przerwania filmu smarującego występuje zjawisko tarcia granicznego lub suchego. Dochodzi wówczas do bezpośredniego kontaktu współpracujących powierzchni. W takiej sytuacji może dochodzić do przyśpieszonego zużycia, mikrozespawań, a w skrajnym przypadku do zatarcia.
8.4. Zużycie zmęczeniowe materiału
Zużycie zmęczeniowe materiału występuje głownie w łożyskach ślizgowych, wówczas gdy twarde cząstki przedostają się miedzy współpracujące powierzchnie. Wywierane naciski powodują naruszenie struktury materiału, a następnie wypadanie jego fragmentów.
8.5. Zużycie kawitacyjne
Kawitacja (korozja kawitacyjna) jest to skomplikowane zjawisko, polegające na implozji pęcherzyków gazu w cieczy. Pęcherzyki powstają w układzie w miejscach, gdzie następuje gwałtowne obniżenie ciśnienia. Przemieszczają się one wraz ze strugą cieczy i gwałtownie zanikają w momencie, gdy ciśnienie wzrasta. Powodem ich pojawiania się mogą być również drgania mechaniczne w układzie. Gwałtowność implozji pęcherzyków powoduje powstawanie fal uderzeniowych o długości 0,1 ... 0,2 m m, które atakują powierzchnię z ogromnymi prędkościami, dochodzącymi do 1 km/s (lokalne wzrosty ciśnienia do dziesiątek tysięcy barów) i wyrywają fragmenty metalu - tworzą się głębokie wżery kawitacyjne. Oderwane cząstki metalu zanieczyszczają układ. Elementami układów hydraulicznych, najbardziej narażonymi na kawitację są: pompy, dławiki i rozdzielacze. Jednym z najprostszych sposobów zapobiegania kawitacji jest stosowanie specjalnych dodatków uszlachetniających w cieczy, które poprzez modyfikację warstwy przyściennej zapobiegają skutkom implozji.
Kawitacja jest powodowana zazwyczaj problemami po stronie ssącej pompy (niskie ciśnienie), daje o sobie znać głośną pracą układu hydraulicznego. Czasem może być konieczne zmodyfikowanie układu ssania.
Głównymi czynnikami, sprzyjającymi powstawaniu zjawiska kawitacji, są:
zbyt lepki olej (szczególnie przy rozruchu instalacji pracującej na powietrzu w niskiej temperaturze),
zanieczyszczenie kosza ssącego,
zaciśnięcie przewodu ssącego,
niewłaściwa zamiana oleju mineralnego na ciecz hydrauliczną trudnopalną - należy pamiętać, że niektóre ciecze trudnopalne mają gęstość większą niż 1 kg/dm3, znacznie większą od gęstości olejów mineralnych. Podczas przechodzenia z oleju mineralnego na ciecz trudnopalną celem uniknięcia kawitacji w instalacji, w konstrukcji której tego nie przewidziano od początku, może być konieczna modyfikacja układu ssania (zmiana wysokości ssania, powiększenie średnicy przewodu ssącego, zmniejszenie dławienia na zaworze ssącym)
8.6. Zużycie korozyjne
Uogólniając korozja jest zjawiskiem elektrochemicznym i zależy od wielu różnych czynników. Pewne związki chemiczne, zawarte w cieczach hydraulicznych, mogą być agresywne wobec niektórych metali. Aby zapobiegać korozji w składzie cieczy hydraulicznych występują dodatki przeciwkorozyjne (inhibitory korozji). Czynniki wywołujące korozję układów hydraulicznych to: woda, powietrze, rozpuszczalniki chlorowcopochodne, zanieczyszczenia mikrobiologiczne.
8.7. Skutki obecności zanieczyszczeń
Skutkami obecności zanieczyszczeń mechanicznych jest niszczenie elementów układu: zaworów, pomp. Szczególnie znaczące są uszkodzenia pomp hydraulicznych. W praktyce eksploatacyjnej, obok procesów zużycia występują inne zjawiska, związane z obecnością zanieczyszczeń mechanicznych. Należą do nich zamulanie i zatykanie.
Zamulanie prowadzi do zwiększenia czasu odpowiedzi, zmienia charakterystykę dynamiczną układu, częstotliwość (szczególnie w przekaźnikach proporcjonalnych), zakres regulacji zostaje zmniejszony. Zamulanie może doprowadzić do całkowitego zatkania i unieruchomienia układu. Przeważnie jest to powodowane przez cząstki zanieczyszczeń, o wymiarach zbliżonych do wielkości luzów technologicznych.
9. Warunki prawidłowej eksploatacji.
Układy hydrauliczne wymagają bardzo starannej obsługi, najlepsza ciecz hydrauliczna nie da dobrych efektów w źle utrzymanym układzie. Szczególne znaczenie mają następujące czynniki:
filtracja, czystość, zanieczyszczenia,
przegrzewanie, chłodzenie,
zapowietrzanie,
kawitacja,
dobór i montaż uszczelek,
ścinanie.
9.1. Filtracja i czystość
Zanieczyszczenie cieczy hydraulicznych cząsteczkami ściernymi jest największym wrogiem układu hydraulicznego.
Znaczna część uszkodzeń układów hydraulicznych jest powodowana, bezpośrednio lub pośrednio, obecnością cząsteczek obcych, takich jak:
pyły zewnętrzne,
cząsteczki metalowe pochodzące z procesów zużycia,
cząsteczki rdzy,
drobiny farby.
Małe luzy elementów hydraulicznych nie dają się pogodzić z większą ilością cząstek zanieczyszczeń mechanicznych. Należy więc przedsięwziąć następujące środki ostrożności.
Bardzo dokładnie nadzorować proces filtracji dbając, aby:
wkłady filtrujące były wymieniane zgodnie z okresami przewidzianymi dla danego typu układu,
elementy filtrujące nie były uszkodzone podczas operowania nimi,
typ użytkowanego filtra dawał odpowiedni stopień filtracji zalecany przez producenta elementów hydraulicznych.
Ciągła filtracja, przez filtr o nominalnej dokładności filtrowania 25 mikrometrów jest minimalnym wymogiem. W niektórych precyzyjnych układach zalecane jest filtrowanie bardziej dokładne 10 mikrometrów, a czasem nawet 5 mikrometrów.
Należy uważać aby nie miało miejsca przedostawanie się cząstek zanieczyszczeń do układu, poprzez:
dokładne płukanie przy pierwszym uruchamianiu urządzenia,
zapewnienie środków ostrożności podczas napełniania zbiornika,
konserwację uszczelek,
odpowiednią jakość filtra powietrza w układzie odpowietrzania zbiornika.
9.2. Temperatura pracy
Ciecz hydrauliczna starzeje się tym szybciej, im wyższa jest temperatura jej pracy. Nadmierna temperatura jest również szkodliwa dla innych elementów układu. Ideałem byłoby nie przekraczanie temperatury 50°C, ponieważ wtedy starzenie dobrych cieczy hydraulicznych jest powolne. W niektórych przypadkach jest konieczne zainstalowanie wymiennika ciepła w celu chłodzenia cieczy hydraulicznej. Najczęstszymi powodami przypadkowego przegrzewania obwodów są:
niewłaściwie dobrana ciecz hydrauliczna pod względem lepkości,
źle wyregulowany zawór bezpieczeństwa (zbyt duży przepływ),
zanieczyszczona chłodnica,
zanieczyszczenie zbiornika, uniemożliwiające odprowadzanie ciepła przez wypromieniowanie,
zbyt niski poziom cieczy hydraulicznej,
zanieczyszczone lub wygięte przewody,
zużycie pompy hydraulicznej,
przedostanie się powietrza do układu.
9.3. Przedostawanie się powietrza
Jak już wspomniano wcześniej, powietrze w cieczy hydraulicznej stwarza poważne problemy. Najczęstszymi powodami przedostawania się powietrza do układów hydraulicznych są:
nieszczelne przewody ssące,
nieszczelna pompa,
zbyt niski poziom cieczy hydraulicznej,
nadmierna turbulencja w zbyt małym zbiorniku,
przewody powrotne nie zanurzone w oleju (pienienie).
Copyright 1997-2000 Elf Lubrifiants Polska - Wszelkie prawa zastrzeżone |
Ciecze hydrauliczne
1. Rodzaje napędów hydraulicznych.
Układy hydrauliczne zawierają ciecz hydrauliczną (zwaną również cieczą roboczą, olejem hydraulicznym lub płynem hydraulicznym), przekazującą energię z generatora do jednego lub kilku odbiorników i ewentualnie pewnej liczby elementów sterowania i regulacji. Do przekształcenia energii, przekazywania i ponownego jej przekształcania we właściwe dla potrzeb użytkownika, różnego rodzaju ruchy urządzeń wykonawczych, służą napędy. W układach hydraulicznych wyróżnia się dwa podstawowe typy napędów:
Napędy hydrokinetyczne, w których jest wykorzystywana energia kinetyczna cieczy:
sprzęgła hydrokinetyczne,
przemienniki hydrokinetyczne, przekładnie hydrokinetyczne, zmienniki momentu
Napędy te, składające się zasadniczo z wirnika silnika i wirnika odbiornika, zamontowanych we wspólnej obudowie, wypełnionej cieczą hydrauliczną, noszą nazwę układów hydrokinetycznych.
Napędy hydrostatyczne, w których energia jest przekazywana poprzez zmiany ciśnienia, bez dużych zmian prędkości cieczy roboczej. Przykładem układu hydrostatycznego jest prasa hydrauliczna, formuła matematyczna jej działania jest opisywana wzorem (1):
F1 : S1 = F2 : S2
gdzie:
F1 - siła na wejściu,
F2 - siła na wyjściu,
S1 - powierzchnia tłoka napędu,
S2 - powierzchnia tłoka roboczego.
Są to napędy, które nazywa się najczęściej układami hydraulicznymi, układami hydrostatycznymi lub obwodami hydraulicznymi. W układach tych elementem generującym jest pompa, a elementami odbierającymi są siłowniki hydrauliczne, które w zależności od wykonywanego ruchu dzielą się na:
cylindry hydrauliczne, zmieniające energię strumienia cieczy w ruch prostoliniowy,
silniki hydrauliczne zmieniające energię strumienia cieczy na ruch obrotowy.
Poszczególne elementy układów hydraulicznych są połączone między sobą przewodami hydraulicznymi, w których przepływa ciecz hydrauliczna. W niniejszym opracowaniu przedstawiono jedynie specyficzną grupę cieczy hydraulicznych, do układów hydrostatycznych.
2. Rola cieczy hydraulicznej.
Ponieważ układy hydrauliczne znalazły liczne efektywne zastosowania, między innymi w przemysłach: samochodowym, lotniczym, metalurgicznym, zbrojeniowym, tworzyw sztucznych, w automatyce, w obrabiarkach, w rolnictwie, w budownictwie, w robotach publicznych i wielu innych; technika ta dokonuje postępu wielkimi krokami. Obecnie stosowane technologie wymagają spełnienia ściśle określonych i coraz ostrzejszych kryteriów w zakresie:
niezawodności i trwałości stosowanych materiałów konstrukcyjnych,
optymalnych parametrów cieczy hydraulicznych,
łatwego dostosowania układów hydraulicznych do różnych maszyn i innych technologii (na przykład elektroniki),
coraz większych przekazywanych mocy (na przykład moc rzędu 1000 kW w napędach wiertniczych),
coraz mniejszego stosunku masy układów hydraulicznych do przenoszonej mocy,
uproszczenia metod kontroli, przy jednoczesnym zwiększeniu ich precyzji,
łatwej i szybkiej konserwacji.
Wszystkie wymienione czynniki stawiają przed cieczą hydrauliczną wymagania, coraz trudniejsze do spełnienia.
3. Funkcje cieczy hydraulicznych
Ciecz hydrauliczna ma za zadanie przenieść energię z napędu hydraulicznego (najczęściej pompy hydraulicznej) do odbiorników (elementów wykonawczych), takich jak: cylindry i silniki hydrauliczne, wykonujących czynności wymagane przez użytkownika. Musi ona również smarować i chronić przed korozją elementy układu hydraulicznego, a także odprowadzać ciepło. W związku z tym, ciecz hydrauliczna w układach hydraulicznych spełnia następujące cztery podstawowe funkcje:
przenoszenie energii i sygnałów sterujących,
smarowanie powierzchni ruchomych,
odprowadzanie ciepła,
uszczelnianie układu.
oraz następujące funkcje dodatkowe:
zmniejszanie zużycia części układu hydraulicznego,
ochrona przed korozją,
zabezpieczenie przed szkodliwym działaniem wody,
zabezpieczenie przed szkodliwym działaniem powietrza.
Funkcje te należy uwzględnić przy wyborze cieczy hydraulicznej. Celem zapewnienia poprawności działania, trwałości i niezawodności układu hydraulicznego, ciecz hydrauliczna musi posiadać pewne podstawowe właściwości, niezbędne dla przekazywania energii, smarowania i ochrony, tj.:
odpowiednią lepkość,
możliwie jak najmniejsze zmiany lepkości w funkcji temperatury (wysoki wskaźnik lepkości),
wymaganą pompowalność w najniższej temperaturze użytkowania,
małą ściśliwość (na przykład: skłonność do wchłaniania powietrza zwiększa ściśliwość),
brak skłonności do pienienia,
szybkie wydzielanie powietrza,
dobre właściwości przeciwzużyciowe,
dobre właściwości przeciwkorozyjne i przeciwrdzewne,
stabilność w czasie pracy, to znaczy odporność na: utlenianie, ścinanie i degradację termiczną.
Pierwszą używaną cieczą hydrauliczną była woda. Powodowała ona wiele niedogodności: korozję, osadzanie się kamienia kotłowego, odparowywanie, miała zbyt małą lepkość, złe właściwości niskotemperaturowe, a przede wszystkim brak niezbędnych właściwości smarnych i przeciwzużyciowych. Aktualnie, jedynie w niewielu pracujących instalacjach przemysłowych jako cieczy hydraulicznej używa się jeszcze wody; generalnie, z dodatkami przeciwkorozyjnymi. Przeważająca większość układów hydraulicznych, stacjonarnych lub przewoźnych, jest napełniona cieczą hydrauliczną, najczęściej będącą uszlachetnionym olejem mineralnym. Jednakże, w niektórych szczególnych przypadkach, kiedy ciecz hydrauliczna musi być trudnopalna, używa się specjalnych cieczy syntetycznych, w niektórych przypadkach z określoną zawartością wody.
4. Podstawowe właściwości fizykochemiczne cieczy hydraulicznych.
W hydraulice przepływ jest odpowiednikiem prędkości w mechanice, natomiast ciśnienie odpowiednikiem siły. W układzie SI jednostkę ciśnienia P stanowi paskal (1 Pa = 1 N/m2). W praktyce przemysłowej jako jednostkę ciśnienia często stosuje się bary: 1 bar = 105.Pa. Jednostką przepływu Q jest metr sześcienny na sekundę (w praktyce: dm3/min lub litr/min).
4.1. Lepkość
Z wielu względów jest pożądanym, aby ciecz w układzie hydraulicznym miała przepływ laminarny, a nie burzliwy. Przepływ laminarny powoduje znacznie mniejsze opory przepływu niż przepływ burzliwy. Jednym z czynników, które decydują czy przepływ cieczy w konkretnym układzie hydraulicznym, będzie laminarny czy burzliwy, jest lepkość cieczy hydraulicznej. Ze względu na znaczenie tej właściwości cieczy hydraulicznej, przypomnijmy podstawowe pojęcia charakteryzujące lepkość.
Lepkość jest miarą tarcia wewnętrznego cieczy. Lepkość wynika z oporów stawianych przez cząsteczki cieczy. Ciecz o małej lepkości stawia przy przepływie mniejsze opory, niż ciecz o dużej lepkości.
Załóżmy, że mamy do czynienia z przepływem laminarnym, a dwie warstwy cieczy o powierzchni S, odległe od siebie o dx, poruszają się jedna z prędkością v, druga z prędkością v+dv. Przemieszczanie względem siebie dwóch warstw cieczy, w celu przezwyciężenia oporów stycznych cieczy, wymaga siły F. Współczynnik proporcjonalności h , pomiędzy naprężeniem stycznym F/S a gradientem prędkości dv/dx, określa się jako lepkość dynamiczną cieczy. Zależność tę wyraża wzór (2).
Zależnością tą są charakteryzowane, tzw. ciecze newtonowskie. Lepkość cieczy newtonowskiej, w danej temperaturze i pod danym ciśnieniem, jest stała.
Lepkość kinematyczną n definiuje się (3) jako stosunek lepkości dynamicznej h cieczy do jej gęstości r :
Jednostkami lepkości układzie SI są:
lepkość dynamiczna: paskalosekunda, Pa . s,
lepkość kinematyczna: metr kwadratowy na sekundę, m2/s; (w praktyce używa się przede wszystkim jednostki 106 razy mniejszej - mm2/s,).
W układzie CGS:
lepkość dynamiczna: puaz, P; (w praktyce używa się przede wszystkim jednostki 100 razy mniejszej zwanej centypuazem - cP),
lepkość kinematyczna: stokes, St; (w praktyce używa się przede wszystkim jednostki 100 razy mniejszej zwanej centystokesem - cSt).
Wzajemne relacje miedzy tymi jednostkami są następujące:
1 P = 10-1 Pa. s,
1 cSt = 1 mm2/s.
Aby przybliżyć te wielkości dodajmy, że w temperaturze 20oC, lepkość kinematyczna wody, wynosi około 1 mm2/s (1 cSt).
4.2. Pomiar lepkości kinematycznej
(ISO 3104, PN-81/C-04011, ASTM D 445, AFNOR T 60100)
Do pomiaru lepkości kinematycznej używa się przeważnie różnego rodzaju lepkościomierzy kapilarnych. Lepkość kinematyczna jest określana na podstawie czasu przepływu, określonej objętości cieczy przez kalibrowaną kapilarę, w ściśle określonych warunkach pomiaru i w ściśle ustalonej temperaturze, zgodnie z wzorem (4):
n = k . t
gdzie:
n - lepkość kinematyczna,
k - stała kapilary,
t - czas przepływu cieczy o określonej objętości, przez kapilarę.
4.3. Zależność lepkości od temperatury
Lepkość olejów mineralnych zmienia się znacznie wraz z temperaturą, ale różnie dla różnych cieczy. Zmiana ta może być przedstawiona przez wzór empiryczny (5), ustalony przez ASTM, zwany również wzorem Walthera:
log10 log10 (n + 0,6) = m log10 (T + q)
gdzie:
n - lepkość kinematyczna, mm2/s,
T - temperatura bezwzględna, K,
m, q - stałe charakterystyczne cieczy .
We współrzędnych logarytmicznych, zależność ta jest linią prostą lub zbliżoną do prostej.
4.4. Wskaźnik lepkości
(ISO 2909, PN-73/C-04015, ASTM D 2270, AFNOR T 60136)
Na ocenę zmiany lepkości w funkcji temperatury pozwala umowna liczba, nazwana wskaźnikiem lepkości (WL lub IV), którą oblicza się na podstawie porównania zmian lepkości serii różnych olejów wzorcowych, jednej o wskaźniku lepkości WL = 0 (oznaczonego symbolem U), drugiej o wskaźniku lepkości WL = 100 (oznaczonego symbolem H). Oleje wzorcowe zostały parami tak dobrane, że ich lepkość w temperaturze 100oC jest jednakowa, taka sama jak oleju badanego. Tak zdefiniowany wskaźnik lepkości, dla olejów o wskaźniku lepkości z przedziału 0 ... 100 wyraża wzór (6):
WL = 100 (L - U)/(L - H)
gdzie:
L - lepkość oleju wzorcowego serii L, w temperaturze 40oC,
H - lepkość oleju wzorcowego serii H, w temperaturze 40oC,
U - lepkość oleju badanego, w temperaturze 40oC,
Dla olejów o wskaźniku lepkości większym niż 100 odpowiednia zależność ma postać bardziej złożoną.
Zmiana lepkości wraz z temperaturą jest tym mniejsza, im wskaźnik lepkości jest większy. Przykładowe lepkości dwóch olejów o różnych wskaźnikach lepkości, w wybranych temperaturach, podano w tabeli 1.
Przykładowa zależność lepkości cieczy hydraulicznej, w różnych temperaturach, od wskaźnika lepkości
Temperatura,°C |
Lepkość kinematyczna, mm2/s |
|
|
Klasyczny olej parafinowy o wskaźniku lepkości , WL = 100 |
Uszlachetniony olej parafinowy o wskaźniku lepkości, WL = 150 |
-10 |
1373 |
858 |
0 |
550 |
397 |
40 |
46 |
46 |
100 |
6,76 |
8,13 |
4.5. Temperatury odniesienia
W celu określenia lepkości cieczy i wskaźnika lepkości, zostały ustalone temperatury odniesienia. Praktycznie, na całym świecie jako temperatury odniesienia przyjęto: 40oC i 100oC, a lepkość jest wyrażana w mm2/s. Na tej podstawie oparto klasyfikację lepkościową olejów przemysłowych, w tym olejów hydraulicznych. Norma ISO 3448, przyjęta m. in. w PN-78/C-96098 oraz AFNOR NF T 6014 i w normach wielu innych krajów, klasyfikuje oleje przemysłowe w zależności od ich lepkości kinematycznej, w temperaturze 40°C. Fragment tej klasyfikacji, w części odnoszącej się do najczęściej stosowanych klas lepkości olejów hydraulicznych, przedstawiono w tabeli 2.
Najczęściej spotykane klasy lepkości olejów hydraulicznych wg ISO 3448
Symbol klasy lepkości |
Średnia lepkość kinematyczna w temperaturze 40°C, mm2/s |
Granice lepkości kinematycznej w temperaturze 40°C, mm2/s |
|
|
|
minimum |
maksimum |
ISO VG 15 |
15 |
13,5 |
16,5 |
ISO VG 22 |
22 |
19,8 |
24,2 |
ISO VG 32 |
32 |
28,8 |
35,2 |
ISO VG 46 |
46 |
41,4 |
50,6 |
ISO VG 68 |
68 |
61,2 |
74,8 |
ISO VG 100 |
100 |
90,0 |
110,0 |
ISO VG 150 |
150 |
135,0 |
165,0 |
4.6. Zmiana lepkości w funkcji ciśnienia
W stałej temperaturze, lepkość olejów mineralnych wzrasta wraz z ciśnieniem, według wykładniczej zależności (7):
gdzie:
b - empiryczny współczynnik charakteryzujący zależność lepkości od ciśnienia,
- lepkość kinematyczna pod ciśnieniu atmosferycznym,
p - ciśnienie w barach.
Do przybliżonych obliczeń można użyć również następującego uproszczonego wzoru (8):
D V - zmiana lepkości kinematycznej.
Zależność lepkości kinematycznej olejów mineralnych o lepkościach z przedziału 1 ... 100 mm2/s, w zakresie zmian ciśnienia D p = p - po przedstawia nomogram.
Pamietać należy, że zmiana ciśnienia o 300 ... 350 barów może powodować, mniej więcej dwukrotne zwiększenie lepkości.
4.7. Gęstość (masa właściwa)
(ISO 3838, PN-90/C-04004)
Gęstość olejów mineralnych, używanych jako ciecze hydrauliczne zawiera się pomiędzy 0,860 a 0,900 kg/dm3. Natomiast, niektóre ciecze hydrauliczne, jak ciecze trudnopalne, niekiedy mają gęstość powyżej 1 kg/dm3. Warunki techniczne producentów podają gęstość w temperaturze odniesienia: 15 lub 20°C.
4.8. Zmiana gęstości w funkcji temperatury
W pierwszym przybliżeniu, przy niewielkich zmianach temperatury, można przyjąć, że zmiana objętości cieczy D V jest zależna od zmiany temperatury według wzoru (9) :
D V = V* a * D T
Zakładając, że średni temperaturowy współczynnik zmian gęstości "a " dla olejów mineralnych ma wartość:
a = 0,0007* [oC]-1
na podstawie wzoru (9), po odpowiednich przekształceniach matematycznych otrzymuje się wzór (11) pozwalający na obliczenie gęstości w dowolnej temperaturze t (zbliżonej do temperatury 15oC).
gdzie:
r 15 - gęstość w temperaturze 15°C.
4.9. Zależność gęstości od ciśnienia
Ściśliwość czystych olejów mineralnych jest niewielka, jednakże nie można jej pominąć w zastosowaniach przy wysokich ciśnieniach. Jeżeli olej mineralny znajduje się pod działaniem ciśnienia w stałej temperaturze, zmniejszanie objętości jest związane ze wzrostem ciśnienia według zależności (12):
D V = Voc D p
Po odpowiednich przekształceniach otrzymujemy zależność (13), pozwalającą na obliczenie gęstości pod dowolnym ciśnieniem:
gdzie: c jest współczynnikiem ściśliwści.
4.10. Temperatura zapłonu i palenia
(ISO 2592, PN-92/C-04197, ASTM D 92, AFNOR T 60118,)
Temperatura zapłonu jest najniższą temperaturą, przy której mieszanina par oleju i powietrza zapala się w kontakcie z płomieniem.
Temperatura palenia jest najniższą temperaturą, przy której zapalone pary palą się przynajmniej 3 sekundy po oddaleniu płomienia.
Obie te temperatury są mierzone w znormalizowanych przyrządach, zgodnie z dokładnie określoną procedurą zmian temperatury i zapalania, według metody Cleveland.
4.11. Temperatura płynięcia
(ISO 3016, PN-83/ C- 04117, AFNOR T 60105, ASTM D 97)
Temperatura płynięcia jest najniższą temperaturą, w której ciecz schładzana bez mieszania, w znormalizowanych warunkach, jeszcze płynie. Temperatury płynięcia cieczy hydraulicznych różnią się w zależności od surowca, użytego do ich wytworzenia:
-30°C ... -50°C dla cieczy hydraulicznych na bazie olejów syntetycznych (PAO),
-20°C ... -40°C dla cieczy hydraulicznych na bazie olejów z rop naftenowych,
-9°C ... -15°C dla cieczy hydraulicznych na bazie olejów z rop parafinowych.
Dodatki uszlachetniające (depresatory) pozwalają na znaczne obniżenie temperatury płynięcia olejów otrzymywanych z rop parafinowych.
4.12. Ciepło właściwe i przewodność cieplna
Ciepło właściwe Cw jest stosunkiem ilości ciepła D Q, pobranego przez jednostkę masy ciała do przyrostu temperatury D T, podczas tej przemiany.
Cw = D Q/D T
Przewodninictwem cieplnym nazywamy zdolność materii do przenoszenia ciepła i jest opisywana wzorem (15):
D Q/ D t= - lAD T/ D x
gdzie:
D Q/D t - szybkość przepływu ciepła przez powierzchnie A
D T/D x - gradient temperatury
l - współczynnik przewodności cieplnej.
Dla rozważań ogólnych można przyjąć, że :
współczynnik przewodności cieplnej mineralnych olejów hydraulicznych l = 0,134 W/m.°C,
ciepło właściwe mineralnych olejów hydraulicznych w zakresie temperatur 0 ... 100°C, wynosi w przybliżeniu około 1,88 ... 2,1 kJ/kg°C. Jest to wartość około pięciu razy mniejsza niż w przypadku wody, co np. tłumaczy fakt, że instalacje z emulsjami wodnymi pracują w temperaturach o 20 ... 30°C niższych od temperatury pracy układów olejowych.
4.13. Punkt anilinowy
(ISO 2977, PN- 82/C-04028, AFNOR M 07-21, ASTM D 611)
Rozpuszczalność aniliny w olejach jest zależna od zawartości w oleju poszczególnych grup węglowodorów, a w szczególności od zawartości związków aromatycznych. Im większa zawartość aromatów, tym niższy punkt anilinowy. Punkt anilinowy definiuje się jako najniższą temperaturę, przy której równe objętości aniliny i badanego oleju całkowicie się mieszają. Punkt anilinowy cieczy hydraulicznych, na bazie mineralnych olejów, zawiera się przeważnie pomiędzy 90 a 110°C. Punkt anilinowy pozwala, w pewnym stopniu, przewidzieć działanie oleju na elastomery (uszczelki). Jednakże, znajomość punktu anilinowego nie zastępuje bezpośrednich pomiarów. Im niższy punkt anilinowy oleju, tym obserwowane pęcznienie gumy będzie większe.
4.14. Liczba kwasowa
(ISO 6618, PN-88/C-04049 lub PN-85/C-04066, AFNOR NF T 60112, ASTM D 974)
Liczba kwasowa (LK, TAN) jest to ilość miligramów wodorotlenku potasowego (KOH), niezbędnego do zobojętnienia nie związanych kwasów, znajdujących się w jednym gramie cieczy hydraulicznej. Pomiar jest dokonywany poprzez miareczkowanie cieczy hydraulicznej, alkoholowym roztworem wodorotlenku potasowego wobec barwnego wskaźnika (lub potencjometrycznie do określonego pH). Wiele uszlachetnionych cieczy hydraulicznych wykazuje, w stanie świeżym, dość dużą liczbę kwasową, wynikającą z reakcji wodorotlenku potasowego z dodatkami uszlachetniającymi.
5. Właściwości użytkowe cieczy hydraulicznych
5.1. Badanie właściwości przeciwzużyciowych cieczy hydraulicznych
Jedną z podstawowych cech użytkowych cieczy hydraulicznych są właściwości smarne i przeciwzużyciowe. Urządzenia hydrauliczne, szczególnie pompy, są to urządzenia bardzo precyzyjne; ciecz hydrauliczna nie powinna powodować nadmiernego zużycia, które prowadziłoby do zwiększenia luzów, co może powodować utratę ich sprawności. Wysokie ciśnienia stanowią czynnik podwyższający ryzyko zużycia i jego konsekwencje. Liczne dodatki uszlachetniające, organiczne lub metaloorganiczne pozwalają nadać cieczy hydraulicznej wymagane właściwości przeciwzużyciowe, nawet przy bardzo dużych ciśnieniach. Tworzą one na chronionej powierzchni metalu, warstewkę filmu olejowego uniemożliwiającą mikrozatarcia.
Właściwości przeciwzużyciowe określa się dwoma uzupełniającymi się rodzajami prób (testów), przy użyciu :
maszyn do prób zużycia i tarcia,
hydraulicznych stanowisk badawczych.
Ze względu na znaczną liczbę maszyn do badań zużycia i tarcia, dalej wymienimy tylko te z nich, które są najczęściej stosowane do badań cieczy hydraulicznych.
5.2. Maszyna czterokulowa
( PN-76/C-04147, ASTM D 2783, AFNOR NF E 48617)
W maszynie czterokulowej trzy kulki, ściśnięte w miseczce, zawierającej badaną ciecz hydrauliczną, są unieruchomione nakrętką dociskową i naciskane ze zmiennym odciążeniem przez czwartą kulkę, połączoną sztywno z uchwytem, zamocowanym na wale silnika elektrycznego. Rozróżnia się dwa podstawowe typy maszyn czterokulowych :
typ "EP" - wg normy ASTM D 2783,
typ "zużycie" - wg normy AFNOR NF E 48617.
Dla cieczy hydraulicznych przeprowadza się przede wszystkim próbę typu "zużycie". Pomiar średnicy śladu zużycia powstałego na skutek tarcia na powierzchni kulek, po jednogodzinnej próbie, przy obciążeniu 40 daN, pozwala ocenić właściwości przeciwzużyciowe cieczy hydraulicznej.
Przykładowe średnice śladu zużycia:
olej mineralny bez dodatków - średnica śladu >0,8 mm,
olej mineralny z dodatkami przeciwzużyciowymi - średnica śladu <0,5 mm,
ciecz trudnopalna HFC - średnica śladu <0,8 mikrometrów
5.3. Maszyna Timken
(PN-86/C-04073, ASTM D 2782, IP 240,)
W teście Timken pierścień stalowy obraca się wokół osi poziomej i trze blok z twardej stali, naciskający na niego z określoną i zmienną siłą. Ciecz jest wtryskiwana w punktach styku. Próby są dokonywane przy stałej prędkości i wzrastającym obciążeniu. Ciecze są klasyfikowane według porównania wyników pomiarów: obciążenia zatarcia, współczynnika tarcia, powierzchni odcisku.
5.4. Maszyna FZG
(PN-78/C-04169, DIN 51354)
Cześć testową maszyny FZG stanowi przekładnia zębata z kołami o zębach prostych, smarowana badanym olejem i poddana określonemu momentowi (parze sił). W czasie wykonywania testu maszyna funkcjonuje w przeciągu ustalonego czasu. Przekładnia zębata jest sukcesywnie poddawana rosnącemu momentowi, a krzywą zużycia wykreślana się w funkcji czasu pracy. Po zakończeniu próby dokonuje się oględzin zębów oraz waży się koła zębate, w celu oceny ich zużycia, podczas pracy. Odnotowywane jest również obciążenie, od którego przekładnia zębata wykazuje znaczne pogorszenie jakości pracy.
Próbę tę utrzymano w stosowanej powszechnie normie DIN 51524 w części II, dotyczącej mineralnych olejów hydraulicznych o podwyższonych właściwościach przeciwzużyciowych. W przypadku tych olejów hydraulicznych jest wymagany poziom zużycia przekładni > 10 (ustalony według specjalnej procedury).
5.5. Hydrauliczne stanowisko badawcze (pompa Vickersa)
(PN-87/C-04048, ASTM D 2882,AFNOR NF E 48617)
Korelacja metod badawczych z praktyką eksploatacyjną nie zawsze jest łatwa do określenia. W związku z tym, opracowano metody badań na stanowisku, wykorzystującym rzeczywiste elementy układów hydraulicznych.
Najbardziej znane metody tego typu wykorzystują pompy łopatkowe Vickers V 104 C lub V 105 C. Polegają one na pomiarach (po pracy w ustalonych warunkach) ubytku masy stojana i łopatek specjalnej pompy testowej. W zależności od wymagań stawianych cieczy hydraulicznej, istnieje wiele wersji tej metody, różniących się od siebie ciśnieniem, prędkością, temperaturą lub czasem próby. Dla cieczy hydraulicznych, badanych wg norm ASTM D 2882 oraz AFNOR E 48617, stosuje się stanowisko badawcze, którego schemat przedstawiono na rysunku 16.
Przykładowo, przy stosowaniu metody AFNOR, ciecze hydrauliczne mające dobre właściwości przeciwzużyciowe, dają następujące wyniki:
stojan pompy: strata masy < 120 mg,
łopatki pompy: strata masy < 30 mg.
5.6. Zachowanie się cieczy hydraulicznej wobec powietrza
Obecność powietrza w układzie hydraulicznym zawsze pociąga za sobą poważne zakłócenia:
zwiększa ściśliwość mieszaniny powietrze-ciecz,
przyśpiesza utlenianie oleju,
powoduje wzrost temperatury, związany ze zwiększoną ściśliwością, a tym samym przyspieszone starzenie oleju,
niedostateczne smarowanie,
kawitację.
Z tych względów układ hydrauliczny należy tak konstruować i eksploatować, aby uniknąć przedostawania się do niego powietrza. W odniesieniu do cieczy hydraulicznej, konieczne jest zapewnienie właściwości przeciwpiennych i szybkiego wydzielania powietrza. Specjalne dodatki mają uniemożliwić tworzenie piany na powierzchni.
5.7. Skłonność do pienienia
(ISO 6247, PN-85/C-04055, ASTM D 892, AFNOR T 60129)
Powstawanie piany w układzie hydraulicznym stwarza niebezpieczeństwo przecieku, przelewania lub ponownego zasysania powietrza, a w konsekwencji zakłócenia sygnalizowane w punkcie 5.6. Właściwości te są oceniane na podstawie próby, która polega na wdmuchiwaniu powietrza z butli lub sprężarki do badanej cieczy hydraulicznej i mierzeniu objętości oraz trwałości wytworzonej piany, w różnych temperaturach.
5.8. Szybkość wydzielania powietrza
(PN-79/C-04174, DIN 51381, AFNOR T 60149)
Jeżeli mimo wszystko, powietrze dostanie się do układu z jakiegokolwiek powodu, ważne jest, aby mogło ono jak najprędzej zostać wydzielone z cieczy hydraulicznej. Szybkość wydzielania powietrza jest oceniana poprzez próbę, która polega na nasyceniu próbki cieczy powietrzem wdmuchiwanym przez dyszę. Następnie śledzi się zmiany zawartości powietrza w cieczy, w funkcji czasu, poprzez pomiar gęstości przy użyciu wagi hydrostatycznej. W tej próbie, ciecze hydrauliczne o średniej lepkości 32 ... 68 mm2/s (w temperaturze 40°C), mają czas wydzielania powietrza w granicach 5 ... 10 minut.
5.9. Zachowanie wobec wody
Woda może przedostawać się do obwodów układów hydraulicznych poprzez:
nieszczelność w wymienniku ciepła,
kondensację wilgoci atmosferycznej po każdym zatrzymaniu,
przenikanie, przy braku szczelności (uszczelki cylindra, uszczelki zbiornika) ze środowiska zewnętrznego,
przedostawanie się emulsji olejowo-wodnej z obrabiarki.
Obecność wody sprawia, że ciecz hydrauliczna musi posiadać następujące właściwości:
przeciwrdzewne,
odporność na hydrolizę,
brak skłonności do tworzenia emulsji (odporność na emulgowanie).
5.10. Właściwości przeciwrdzewne
(PN-81/C-04082, ASTM D 665, IP 135)
Należy wykluczyć obecność jakichkolwiek śladów korozji na bardzo precyzyjnie spasowanych elementach układów hydraulicznych. Jest istotne, aby ciecz hydrauliczna miała bardzo dobre właściwości przeciwrdzewne. Właściwości takie są uzyskiwane w wyniku zastosowania dodatków uszlachetniających, których zadaniem jest zwiększenie powinowactwa oleju do powierzchni metalowych. Właściwości przeciwrdzewne można oszacować dzięki testowi, w którym trzpienie z polerowanej stali, zanurzone w mieszaninie 90% oleju i 10% wody, w temperaturze 60°C, przez 24 godziny, nie wykażą śladów korozji.
5.11. Odporność na hydrolizę (test "Coca-Cola")
(PN-88/C-04084, ASTM D 2619)
Dodatki obecne w cieczy hydraulicznej (przeciwutleniające, przeciwkorozyjne, przeciwzużyciowe) nie mogą ulegać rozkładowi pod wpływem wody. Rozkład taki (zwany hydrolizą) powodowałby, poza utratą skuteczności dodatków, zjawisko korozji i powstawanie osadów. Celem sprawdzenia tej właściwości, próbkę 75 g cieczy hydraulicznej i 25 g wody oraz płytkę miedzianą umieszcza się w butelce typu "Coca-Cola". Butelka jest poddawana powolnej rotacji w ciągu 48 godzin w termostacie, w temperaturze 93°C. Po zakończeniu próby notuje się zmianę masy płytki miedzianej oraz liczbę kwasową fazy wodnej.
5.12. Odporność na tworzenie emulsji (deemulgowanie)
(PN-86/C-04065, ASTM D 1401, AFNOR T 60125,)
Jeżeli ciecz hydrauliczna jest poddawana regularnym i licznym kontaktom z wodą (co może wynikać ze specyfiki układu), niezbędne staje się używanie takiej cieczy hydraulicznej, która jest szczególnie odporna na emulgowanie, to znaczy takiej, która szybko oddziela się od wody bez tworzenia trwałej emulsji. Właściwość ta pozwala na prawie całkowite odprowadzenie wody z układu hydraulicznego, poprzez separację w zbiorniku. Odporność cieczy hydraulicznych na tworzenie emulsji jest oceniana w teście, który polega na mieszaniu równych (40 ml cieczy hydraulicznej i 40 ml wody) objętości wody i cieczy hydraulicznej, łopatkami obracających się z prędkością 1500 obr/min. Obserwuje się utworzoną emulsję i mierzy się czas jej rozdzielania. Jako wynik podaje się w kolejności: objętość warstwy: olejowej, wodnej i emulsji, oraz czas rozwarstwienia.
Przykładowe wyniki:
40-40-0 w 20 minut oznacza, że całkowite rozdzielenie warstw następuje po 20 minutach,
39-35-6 w 60 minut oznacza, że po upływie 60 minut obserwuje się 39 ml oleju, 35 ml wody i 6 ml emulsji.
5.13. Właściwości przeciwkorozyjne
(ISO 2160, PN-85/C-04093, ASTM D 130, AFNOR M 07015)
Ciecz hydrauliczna nie powinna oddziaływać korozyjnie metale kolorowe, a w szczególności na miedź. Zachowanie wobec tego metalu jest oceniane na podstawie odniesienia do wzorców korozji zmian zabarwienia testowej płytki miedzianej, zanurzonej w ocenianej cieczy hydraulicznej, przez 3 godziny, w temperaturze 100°C.
5.14. Odporność na utlenianie
(ASTM D 943)
Każdy wzrost temperatury, nawet chwilowy, może powodować pogarszanie się jakości cieczy hydraulicznej poprzez jej utlenianie i rozpad termiczny. Warunki pracy niektórych układów mają tendencję do dosyć silnego rozgrzewania cieczy hydraulicznej (temperatura powyżej 60°C). W takiej sytuacji jest konieczne, aby ciecz hydrauliczna miała dobre właściwości przeciwutleniające, co zapewnia dobrą trwałość cieczy bez ryzyka starzenia, korozji lub zanieczyszczania układu.
Pośród wielu możliwych prób starzenia, zazwyczaj stosuje się test, polegający na poddawaniu oleju mieszaniu przy użyciu sprężonego tlenu, w obecności wody oraz katalizatorów: żelaznego i miedzianego, w temperaturze 95°C. Po zakończeniu próby, która trwa na ogół 1 000 lub 2 000 godzin, mierzy się liczbę kwasową (LK, TAN) i ilość utworzonych osadów.
5.15. Odporność na ścinanie
(CEC L-14-T, PN-77/C-04165, DIN - 51382)
Przy obecnym stanie techniki rafinacji, większość bazowych olejów mineralnych, stosowanych do produkcji cieczy hydraulicznych, ma naturalne wskaźniki lepkości zawarte między 95 a 105. Znaczna część cieczy hydraulicznych, dostępnych na rynku, ma wskaźniki lepkości odpowiadające tym wartościom; są to tzw. oleje o "naturalnym wskaźniku lepkości". Jeżeli chce się otrzymać ciecze hydrauliczne o wyższym wskaźniku lepkości, konieczne jest wprowadzenie dodatków, nazywanych modyfikatorami wskaźnika lepkości (wiskozatory). Dodatki takie są polimerami o długich łańcuchach. Wiskozatory muszą być ostrożnie dobierane, ponieważ niektóre z nich mają tendencję do "ścinania" podczas pracy (rozrywanie łańcucha cząsteczki polimeru, np. przy przechodzeniu między powierzchniami trącymi). Zjawisko to pociąga za sobą zmniejszenie lepkości i wskaźnika lepkości.
Aby określić odporność cieczy hydraulicznych na ścinanie, najczęściej stosuje się aparat Orbahn według normy DIN 51382. Metoda ta polega na poddawaniu określonej objętości cieczy hydraulicznej, ustalonej liczbie przejść (250), poprzez klasyczny wtryskiwacz firmy Bosch. Nagłe rozprężenie (od 175 do 0 barów), po przejściu przez bardzo wąski otwór (2 ... 5 m m) poddaje ciecz bardzo dużym naprężeniom ścinającym. Mierzy się spadek lepkości po próbie.
5.16. Oddziaływanie na elastomery
(AFNOR NF E 48610)
Ciecze hydrauliczne, giętkie przewody, uszczelki statyczne i dynamiczne w układzie hydraulicznym powinny być dobrane w taki sposób, aby nie wykazywały wzajemnego niekorzystnego oddziaływania. Uszczelki powinny być dobrane również zgodnie z zakładanym zakresem temperatur pracy. Jak wspomniano wcześniej, punkt anilinowy daje tylko przybliżone informacje o zachowaniu olejów mineralnych wobec kauczuków. Ciecze hydrauliczne o niskich punktach anilinowych mogą powodować pęcznienie, natomiast ciecze o wysokich punktach anilinowych powodują skurcz. Jednakże czynnikiem decydującym o intensywności i rodzaju zachodzących zmian jest typ elastomeru, z którego są wykonane uszczelnienia. Dlatego też, producenci uszczelnień określają optymalny punkt anilinowy dla swojego wyrobu przeprowadzając próby z olejami odniesienia: ASTM 1, 2 i 3, o punktach anilinowych odpowiednio 124, 93 i 60°C. Pomiary te mogą być uzupełniane badaniem twardości i innych mechanicznych właściwości uszczelek. Próby zgodności są często wykonywane przez laboratoria naftowe.
5.17. Próby specjalne dla trudnopalnych cieczy hydraulicznych
Celem sprawdzenia właściwości trudnopalnych cieczy hydraulicznych zostały opracowane różne specyficzne testy, na przykład:
próba w strumieniu rozpylonym pod wysokim ciśnieniem, z osłoną,
próba odporności na spalanie w silniku ze zmiennym stopniem sprężania,
próba rozprzestrzeniania się ognia, w mieszance złożonej z pyłu węglowego i cieczy trudnopalnych.
Ponadto, dla tego typu cieczy hydraulicznych, sprawdza się toksyczność w stanie świeżym i po rozkładzie termicznym.
Według rodzaju zastosowania, używa się dwóch grup cieczy hydraulicznych:
mineralne ciecze hydrauliczne (oleje hydrauliczne) ,
ciecze trudnopalne.
6. Ciecze hydrauliczne
6.1. Mineralne ciecze hydrauliczne
Według norm: PN-91/C-96057/1, ISO 6743/4, NF E 48602, rozróżnia się następujące klasy jakościowe cieczy hydraulicznych, do układów hydrostatycznych:
ciecze typu HH: oleje mineralne nieuszlachetnione (czyste oleje bazowe),
ciecze typu HL: oleju mineralne, posiadające specjalne właściwości przeciwutleniające i antykorozyjne,
ciecze typu HM: ciecze typu HL, posiadające specjalne właściwości przeciwzużyciowe,
ciecze typu HR: ciecze typu HL, posiadające polepszone właściwości lepkościowo-temperaturowe,
ciecze typu HV: ciecze typu HM, posiadające polepszone właściwości lepkościowo-temperaturowe,
ciecze typu HS: oleje syntetyczne, dla których nie jest wymagana trudnopalność,
ciecze typu HG: ciecze typu HM, przeznaczone do układów hydraulicznych i prowadnic obrabiarek, posiadające właściwości anty stick-slip.
W praktyce eksploatacyjnej wygląda to następująco:
ciecze typu HM i HV są najczęściej stosowane.
ciecze typu HH są czystymi olejami mineralnymi, które spełniają właściwie podstawową rolę płynów hydraulicznych, to jest przekazywanie energii, ale nie zapewniają ochrony, smarowania, itd.,
ciecze typu HL są w większości olejami typu "turbinowego". Przedstawiają doskonałą odporność na działanie wody. Są zalecane do urządzeń o średnim ciśnieniu oraz wtedy, kiedy dodatki przeciwzużyciowe nie są konieczne,
6.2. Inne rodzaje olejów hydraulicznych
Jako ciecze hydrauliczne bywają stosowane inne specyficzne oleje mineralne, na przykład:
oleje mineralne lub syntetyczne o bardzo wysokim wskaźniku lepkości i bardzo niskiej temperaturze płynięcia do zastosowań w niskich temperaturach (np. w lotnictwie) ; odpowiadające wojskowym normom: AIR 3520, MIL-H-5808, WTWT-MPS-003, (kod NATO H-520 - ciecz normalna) i (kod NATO H-515 - ciecz mikrofiltrowana),
oleje silnikowe oraz oleje do przekładni hydrokinetycznych; oleje te posiadają większość właściwości olejów hydraulicznych. Są one zalecane, przez różnych producentów maszyn budowlanych, równolegle z olejami hydraulicznymi,
oleje hydrauliczne z detergentami; są to oleje odpowiadające kategorii HM, lecz z możliwością pochłaniania pewnych ilości wody.
Tabela 3
Ciecze hydrauliczne ELF
Klasa cieczy hydraulicznej |
Nazwa cieczy hydraulicznej w gamie cieczy firmy ELF |
HL |
ELF POLYTELIS |
HM |
ELFOLNA DS, ELFOLNA HMD |
HV |
HYDRELF DS, HYDRELF BIO 46 |
6.3. Trudnopalne ciecze hydrauliczne
W niektórych zastosowaniach, obecność substancji łatwopalnych lub poddawanych bardzo wysokim temperaturom może spowodować zapalenie cieczy hydraulicznych na bazie olejów mineralnych, na przykład podczas przypadkowego pęknięcia giętkiego przewodu. W takim przypadku, jest konieczne stosowanie trudnopalnych cieczy hydraulicznych. Ciecze takie zostały głównie opracowane dla potrzeb przemysłu węglowego, np. we Francji przez Francuskie Kopalnie Węgla (Charbonnages de France). Spełniają one również wymagania odpowiednich PN i innych polskich dokumentów normatywnych.
Część norm NF E 48602 i NF E 48603 odnośnie płynów trudnopalnych jest zgodna z pracami Charbonnages de France i CECA (EWWS - Europejska Wspólnota Węgla i Stali).
Istnieją następujące rodzaje trudnopalnych cieczy hydraulicznych:
ciecze typu HFAE: emulsje oleju w wodzie, z zawartością wody powyżej 80%,
ciecze typu HFAS: roztwory wodne substancji chemicznych, z zawartością wody powyżej 80%,
ciecze typu HFC: roztwory wodne polimerów, z zawartością wody poniżej 80%,
ciecze typu HFDR: ciecze syntetyczne na bazie estrów fosforanowych, nie zawierające wody,
ciecze typu HFDS: ciecze syntetyczne nie zawierające wody, na bazie węglowodorów chlorowcopochodnych,
ciecze typu HFDT: ciecze syntetyczne nie zawierające wody, utworzone z mieszanin cieczy HFDR i HFDS,
ciecze typu HFDU: ciecze syntetyczne nie zawierające wody, utworzone z innych składników.
W przemysłowych układach hydraulicznych, najczęściej używanymi trudnopalnymi cieczami hydraulicznymi są rodzaje: HFC, HFDR i HFDU.
Tabela 4
Trudnopalne ciecze hydrauliczne ELF
Klasa cieczy hydraulicznej |
Nazwa cieczy hydraulicznej w gamie cieczy firmy ELF |
HFC |
PYRELF HFC 46 |
HFDR |
PYRELF DR 46 |
HFDU |
PYRELF HFDU 46 |
7. Filtracja cieczy hydraulicznych
7.1. Dlaczego potrzebna jest filtracja?
Konieczne jest, aby ciecz robocza była czysta, to znaczy nie zawierała wody lub cząstek stałych, które mogłyby prowadzić do zniszczenia układu hydraulicznego lub zatkania filtrów. Z tego względu, jest wymagana inna ważna właściwość cieczy hydraulicznej - filtrowalność. Może ona być zdefiniowana jako zdolność cieczy do poddania filtracji, poprzez system filtracyjny układu hydraulicznego, bez blokowania filtrów, w obecności lub braku wody. Zła filtrowalność cieczy hydraulicznej może być spowodowana niewłaściwym procesem produkcji cieczy, na przykład użyciem:
składników niewystarczająco oczyszczonych,
składników prowadzących do tworzenia substancji galaretowatych, pochodzących z reakcji dodatków uszlachetniających oleju z wodą, obecną w układzie.
Zanieczyszczona ciecz hydrauliczna spowoduje wadliwą pracę urządzenia. Udowodniono, że nieodpowiednia czystość cieczy hydraulicznej jest przyczyną ponad 80% awarii. Tak więc, jeśli chcemy, aby maszyny działały prawidłowo, musimy zadbać o odpowiednią filtrację cieczy hydraulicznej.
7.2. Źródła zanieczyszczeń
Zanieczyszczenia układów hydraulicznych mogą pochodzić z czterech głównych źródeł:
zanieczyszczenia, związane z funkcjonowaniem różnych części składowych układu (pompa, zbiornik, odbiorniki, elementy sterujące),
zanieczyszczenia zewnętrzne, które mogą przedostawać się do układu przez przewody, zawory, trzpienie siłowników, obudowy pomp i silników,
zanieczyszczenia własne instalacji hydraulicznej, związane z produkcją, takie jak: wylewki produkcyjne, piasek z form odlewniczych, farby,
zanieczyszczenia dodatkowe, mogące przedostać się na przykład w czasie uzupełniania płynu hydraulicznego, konserwacji urządzeń.
7.3. Zanieczyszczenia
Zanieczyszczenia mechaniczne mogą różnić się znacznie między sobą i ich podziału można dokonać według różnych kryteriów:
wielkości cząstek,
natury chemicznej: nieorganiczne, organiczne,
twardości,
reaktywności chemicznej,
kształtu,
rozpuszczalności w cieczy hydraulicznej,
charakteru elektrycznego.
7.4. Źródła zanieczyszczeń
Cząstki stałe o wymiarach większych od 15 m m (nie uzbrojonym okiem są widoczne cząstki o wymiarach większych od 40 m m). Źródłami zanieczyszczeń cieczy hydraulicznych o takich wymiarach mogą być:
kawitacja w układzie hydraulicznym,
pozostałości obróbki mechanicznej lub spawania (elementy instalacji, takie jak: bloki, rury, zawory, złączki),
pozostałości odlewnicze (korpusy pomp, zaworów),
elementy uszczelnień (kawałki uszczelek).
Cząstki stałe o wymiarach 5.... 15 m m.
Ten typ cząstek stanowi około 70% zanieczyszczeń spotykanych w cieczy hydraulicznej.
Możliwe źródła powstawania:
zanieczyszczenia własne cieczy hydraulicznej (pochodzące na przykład z opakowań),
zanieczyszczenia zewnętrzne (pył),
włókna tworzyw przewodów giętkich.
Cząstki stałe o wymiarach 3 ... 5 m m (rys. 19).
Możliwe źródła powstawania :
drobne zanieczyszczenia metaliczne, powstające w wyniku ścierania pracujących części,
dodatki do płynów hydraulicznych,
cząstki nie odfiltrowane,
tlenki metali.
7.5. Współczynnik filtracji i skuteczność filtracji
Jakość filtrów, stosowanych w układach hydraulicznych, ocenia się dwoma podstawowymi parametrami:
Współczynnik filtracji b x (16) - określa się jako stosunek liczby cząstek wymiarze x znajdujących się przed filtrem, do liczby cząstek o tym samym wymiarze x za filtrem (gdzie x jest wymiarem cząstki w mikrometrach).
gdzie:
n1 - liczba cząstek przed filtrem,
n2 - liczba cząstek za filtrem.
Skuteczność (efektywność) filtracji ef (18) - określa się stosunek różnicy liczby cząstek zanieczyszczeń przed n1 i za filtrem n2 , do liczby cząstek przed filtrem, wyrażony w procentach.
na przykład:
Jeśli liczba cząstek zanieczyszczeń o wymiarach 20 m m w cieczy hydraulicznej przed filtrem wynosi 100 000 szt. , a po przejściu przez filtr 10 000 szt. to:
7.6. Charakterystyka filtrowalności cieczy hydraulicznej
Charakterystyki filtrowalności cieczy hydraulicznych są oceniane przy zastosowaniu wielu testów
Jednym z nich jest badanie filtrowalności metodą DENISON TP 02 100. Test ten jest przeznaczony do sprawdzania filtrowalności olejów hydraulicznych. Charakterystykę filtrowalności ocenia się przez porównywanie czasu filtracji 100 ml cieczy hydraulicznej zawierającej wodę (<2%) i przy braku wody, według określonej procedury, poprzez membranę filtracyjną o nominalnej średnicy porów 1,2 m m.
Stanowisko badawcze, opracowane przez firmę ELF, pozwala śledzić zmianę filtrowalności cieczy w obecności różnych zanieczyszczeń: wody i produktów utleniania. Próba ta polega na oszacowaniu, w rzeczywistym obwodzie hydraulicznym o niskim ciśnieniu (100 barów), tworzenia się nierozpuszczalnych substancji, podczas chemicznej degradacji cieczy hydraulicznej. Obserwuje się zmiany zatykania filtra 5 m m, umieszczonego w obwodzie, poprzez pomiar spadku ciśnienia na filtrze.
7.7. Czystość cieczy hydraulicznych
Czystość cieczy hydraulicznych określa się dwoma podstawowymi parametrami:
zawartością zanieczyszczeń,
składem granulometrycznym.
Zawartość zanieczyszczeń najczęściej jest mierzona tzw. analizą grawimetryczną. Polega ona na filtrowaniu 100 ml oleju badanego poprzez membranę filtrującą o nominalnej średnicy porów 0,8 m m. Poprzez ważenie membrany czystej i z zanieczyszczeniami, określa się ilość nierozpuszczalnych osadów w jednostce objętości cieczy hydraulicznej ( najczęściej w mg/100 ml).
Skład granulometryczny ocenia się na podstawie zliczania cząstek zanieczyszczeń o określonych wymiarach, przypadających na jednostkę objętości cieczy (najczęściej w 1 ml lub 100 ml)
Metody polegające na zliczaniu cząsteczek zanieczyszczeń:
pod mikroskopem (np. metoda AFNOR NF E 48651), polegająca na filtrowaniu określonej objętości cieczy, przez membranę filtracyjną, która jest następnie badana pod mikroskopem, w celu zliczenia cząsteczek i pogrupowania na frakcje wymiarowe,
przy użyciu automatycznego licznika cząstek, mierzącego zmianie natężenia strumienia świetlnego zatrzymywanego przez cząsteczki stałe obecne w cieczy. Ten typ przyrządu pozwala automatyczną klasyfikację wielkości zanieczyszczeń.
Na podstawie zliczeń cząstek poziom zanieczyszczenia cieczy hydraulicznej jest wyrażany według dwóch głównych systemów:
NAS 1638
ISO 4406.
Specyfikacja amerykańska NAS 1638 określa 14 klas czystości cieczy, w zależności od liczby cząstek, o średnicach z określonych przedziałów wymiarowych. Klasyfikacje tę przedstawiono w tabeli 5.
Klasy czystości według NAS 1638 (styczeń 1964) - liczba cząstek w 100 cm3 cieczy
Klasa czystości |
Liczba cząstek o średnicach z przedziału wymiarowego, mikrometry |
||||
|
5 ... 15 |
15 ... 25 |
25 ... 50 |
50 ... 100 |
>100 |
00 |
125 |
22 |
4 |
1 |
0 |
0 |
250 |
44 |
8 |
2 |
0 |
1 |
500 |
89 |
16 |
3 |
1 |
2 |
1 000 |
178 |
32 |
6 |
1 |
3 |
2 000 |
356 |
63 |
11 |
2 |
4 |
4 000 |
712 |
126 |
22 |
4 |
5 |
8 000 |
1 425 |
253 |
45 |
8 |
6 |
16 000 |
2 850 |
506 |
90 |
16 |
7 |
32 000 |
5 700 |
1 012 |
180 |
32 |
8 |
64 000 |
11 400 |
2 025 |
360 |
64 |
9 |
128 000 |
22 800 |
4 050 |
720 |
128 |
10 |
256 000 |
45 600 |
8 100 |
1 440 |
256 |
11 |
512 000 |
91 200 |
16 200 |
2 880 |
512 |
12 |
1 024 000 |
182 400 |
32 400 |
5 760 |
1 024 |
Poziomy czystości cieczy wg ISO 4406 są określane przez dwie umowne liczby odpowiadające:
liczbie cząsteczek o średnicach powyżej 5 m m w 100 ml cieczy,
liczbie cząsteczek o średnicach powyżej 15 m m w 100 ml cieczy.
W tabeli 6 przedstawiono zasady przypisywania poziomu czystości wg ISO 4406, na podstawie zliczania cząstek. Można również posługiwać się siatką ISO 4406. Łącząc linią prostą punkty odpowiadające liczbie cząstek o średnicach większych od 5 i 15 mikrometrów, na podstawie tej siatki, można z dobrym przybliżeniem odczytać liczbę cząstek o średnicach większych od dowolnie wybranej, z przedziału wymiarowego 5 ... 15 mikrometrów. Zasady opracowania wyników pomiarów składu granulometrycznego wg ISO 4406 znormalizowano w normie ISO 3938.
Tabela 6
Przykładowe poziomy czystości wg ISO 4406
Poziom czystości ISO |
Liczba cząstek w 100 ml cieczy, o średnicach większych od: |
|
|
5 mikrometrów |
15 mikrometrów |
20/17 |
500 000 ... 1 000 000 |
64 000 ... 130 000 |
19/16 |
250 000 ... 500 000 |
32 000 ... 64 000 |
18/15 |
130 000 ... 250 000 |
16 000 ... 32 000 |
17/14 |
64 000 ... 130 000 |
8 000 ... 16 000 |
16/13 |
32 000 ... 64 000 |
4 000 ... 8 000 |
15/12 |
16 000 ... 32 000 |
2 000 ... 4 000 |
14/11 |
8 000 ... 16 000 |
1 000 ... 2 000 |
13/10 |
4 000 ... 8 000 |
500 ... 1 000 |
12/9 |
2 000 ... 4 000 |
250 ... 500 |
11/8 |
1 000 ... 2 000 |
130 ... 250 |
11/7 |
1 000 ... 2 000 |
64 ... 130 |
10/7 |
500 ... 1 000 |
64 ... 130 |
10/6 |
500 ... 1 000 |
32 ... 64 |
9/6 |
250 ... 500 |
32 ... 64 |
8/5 |
130 ... 250 |
16 ... 32 |
7/4 |
64 ... 130 |
8 ... 16 |
6/3 |
32 ... 64 |
4 ... 8 |
5/2 |
16 ... 32 |
2 ... 4 |
4/1 |
8 ... 16 |
1 ... 2 |
3/1 |
4 ... 8 |
1 ... 2 |
2/0 |
2 ... 4 |
0,5 ... 1 |
1/0,9 |
1 ... 2 |
0,25 ... 0,5 |
Stosowane są również inne systemy oceny stanu czystości cieczy według norm: MIL STD 1246 A, SAE -791, GOST 17216-71. Istnieją zależności pozwalające na przeliczanie z jednego systemu na inne.
8. Przyczyny zużycia
8.1. Zużycie ścierne
Zużycie ścierne jest powodowane przez cząstki, o wymiarach zbliżonych do wielkości luzów technologicznych pomiędzy współpracującymi powierzchniami. Powstają bruzdy i wyżłobienia na powierzchniach, wzrastają luzy i naprężenia zmęczeniowe w obciążonych częściach.
8.2. Erozja
W czasie pracy układu ciecz hydrauliczna, a co za tym idzie, cząstki w niej zawieszone podlegają znaczącym przyspieszeniom. Energia kinetyczna (E=mv2/2) tych cząstek (pomimo ich małej masy) może być znaczna, bowiem osiągają one prędkości do 120 m/s. Uderzenia cząstek w powierzchnie materiału powoduje wyrwanie jego fragmentów. Zjawisko to jest nazywane erozją.
8.3. Zużycie na skutek kontaktów powierzchniowych
Podczas prawidłowej eksploatacji, współpracujące powierzchnie są oddzielone filmem olejowym. W przypadku przerwania filmu smarującego występuje zjawisko tarcia granicznego lub suchego. Dochodzi wówczas do bezpośredniego kontaktu współpracujących powierzchni. W takiej sytuacji może dochodzić do przyśpieszonego zużycia, mikrozespawań, a w skrajnym przypadku do zatarcia.
8.4. Zużycie zmęczeniowe materiału
Zużycie zmęczeniowe materiału występuje głownie w łożyskach ślizgowych, wówczas gdy twarde cząstki przedostają się miedzy współpracujące powierzchnie. Wywierane naciski powodują naruszenie struktury materiału, a następnie wypadanie jego fragmentów.
8.5. Zużycie kawitacyjne
Kawitacja (korozja kawitacyjna) jest to skomplikowane zjawisko, polegające na implozji pęcherzyków gazu w cieczy. Pęcherzyki powstają w układzie w miejscach, gdzie następuje gwałtowne obniżenie ciśnienia. Przemieszczają się one wraz ze strugą cieczy i gwałtownie zanikają w momencie, gdy ciśnienie wzrasta. Powodem ich pojawiania się mogą być również drgania mechaniczne w układzie. Gwałtowność implozji pęcherzyków powoduje powstawanie fal uderzeniowych o długości 0,1 ... 0,2 m m, które atakują powierzchnię z ogromnymi prędkościami, dochodzącymi do 1 km/s (lokalne wzrosty ciśnienia do dziesiątek tysięcy barów) i wyrywają fragmenty metalu - tworzą się głębokie wżery kawitacyjne. Oderwane cząstki metalu zanieczyszczają układ. Elementami układów hydraulicznych, najbardziej narażonymi na kawitację są: pompy, dławiki i rozdzielacze. Jednym z najprostszych sposobów zapobiegania kawitacji jest stosowanie specjalnych dodatków uszlachetniających w cieczy, które poprzez modyfikację warstwy przyściennej zapobiegają skutkom implozji.
Kawitacja jest powodowana zazwyczaj problemami po stronie ssącej pompy (niskie ciśnienie), daje o sobie znać głośną pracą układu hydraulicznego. Czasem może być konieczne zmodyfikowanie układu ssania.
Głównymi czynnikami, sprzyjającymi powstawaniu zjawiska kawitacji, są:
zbyt lepki olej (szczególnie przy rozruchu instalacji pracującej na powietrzu w niskiej temperaturze),
zanieczyszczenie kosza ssącego,
zaciśnięcie przewodu ssącego,
niewłaściwa zamiana oleju mineralnego na ciecz hydrauliczną trudnopalną - należy pamiętać, że niektóre ciecze trudnopalne mają gęstość większą niż 1 kg/dm3, znacznie większą od gęstości olejów mineralnych. Podczas przechodzenia z oleju mineralnego na ciecz trudnopalną celem uniknięcia kawitacji w instalacji, w konstrukcji której tego nie przewidziano od początku, może być konieczna modyfikacja układu ssania (zmiana wysokości ssania, powiększenie średnicy przewodu ssącego, zmniejszenie dławienia na zaworze ssącym)
8.6. Zużycie korozyjne
Uogólniając korozja jest zjawiskiem elektrochemicznym i zależy od wielu różnych czynników. Pewne związki chemiczne, zawarte w cieczach hydraulicznych, mogą być agresywne wobec niektórych metali. Aby zapobiegać korozji w składzie cieczy hydraulicznych występują dodatki przeciwkorozyjne (inhibitory korozji). Czynniki wywołujące korozję układów hydraulicznych to: woda, powietrze, rozpuszczalniki chlorowcopochodne, zanieczyszczenia mikrobiologiczne.
8.7. Skutki obecności zanieczyszczeń
Skutkami obecności zanieczyszczeń mechanicznych jest niszczenie elementów układu: zaworów, pomp. Szczególnie znaczące są uszkodzenia pomp hydraulicznych. W praktyce eksploatacyjnej, obok procesów zużycia występują inne zjawiska, związane z obecnością zanieczyszczeń mechanicznych. Należą do nich zamulanie i zatykanie.
Zamulanie prowadzi do zwiększenia czasu odpowiedzi, zmienia charakterystykę dynamiczną układu, częstotliwość (szczególnie w przekaźnikach proporcjonalnych), zakres regulacji zostaje zmniejszony. Zamulanie może doprowadzić do całkowitego zatkania i unieruchomienia układu. Przeważnie jest to powodowane przez cząstki zanieczyszczeń, o wymiarach zbliżonych do wielkości luzów technologicznych.
9. Warunki prawidłowej eksploatacji.
Układy hydrauliczne wymagają bardzo starannej obsługi, najlepsza ciecz hydrauliczna nie da dobrych efektów w źle utrzymanym układzie. Szczególne znaczenie mają następujące czynniki:
filtracja, czystość, zanieczyszczenia,
przegrzewanie, chłodzenie,
zapowietrzanie,
kawitacja,
dobór i montaż uszczelek,
ścinanie.
9.1. Filtracja i czystość
Zanieczyszczenie cieczy hydraulicznych cząsteczkami ściernymi jest największym wrogiem układu hydraulicznego.
Znaczna część uszkodzeń układów hydraulicznych jest powodowana, bezpośrednio lub pośrednio, obecnością cząsteczek obcych, takich jak:
pyły zewnętrzne,
cząsteczki metalowe pochodzące z procesów zużycia,
cząsteczki rdzy,
drobiny farby.
Małe luzy elementów hydraulicznych nie dają się pogodzić z większą ilością cząstek zanieczyszczeń mechanicznych. Należy więc przedsięwziąć następujące środki ostrożności.
Bardzo dokładnie nadzorować proces filtracji dbając, aby:
wkłady filtrujące były wymieniane zgodnie z okresami przewidzianymi dla danego typu układu,
elementy filtrujące nie były uszkodzone podczas operowania nimi,
typ użytkowanego filtra dawał odpowiedni stopień filtracji zalecany przez producenta elementów hydraulicznych.
Ciągła filtracja, przez filtr o nominalnej dokładności filtrowania 25 mikrometrów jest minimalnym wymogiem. W niektórych precyzyjnych układach zalecane jest filtrowanie bardziej dokładne 10 mikrometrów, a czasem nawet 5 mikrometrów.
Należy uważać aby nie miało miejsca przedostawanie się cząstek zanieczyszczeń do układu, poprzez:
dokładne płukanie przy pierwszym uruchamianiu urządzenia,
zapewnienie środków ostrożności podczas napełniania zbiornika,
konserwację uszczelek,
odpowiednią jakość filtra powietrza w układzie odpowietrzania zbiornika.
9.2. Temperatura pracy
Ciecz hydrauliczna starzeje się tym szybciej, im wyższa jest temperatura jej pracy. Nadmierna temperatura jest również szkodliwa dla innych elementów układu. Ideałem byłoby nie przekraczanie temperatury 50°C, ponieważ wtedy starzenie dobrych cieczy hydraulicznych jest powolne. W niektórych przypadkach jest konieczne zainstalowanie wymiennika ciepła w celu chłodzenia cieczy hydraulicznej. Najczęstszymi powodami przypadkowego przegrzewania obwodów są:
niewłaściwie dobrana ciecz hydrauliczna pod względem lepkości,
źle wyregulowany zawór bezpieczeństwa (zbyt duży przepływ),
zanieczyszczona chłodnica,
zanieczyszczenie zbiornika, uniemożliwiające odprowadzanie ciepła przez wypromieniowanie,
zbyt niski poziom cieczy hydraulicznej,
zanieczyszczone lub wygięte przewody,
zużycie pompy hydraulicznej,
przedostanie się powietrza do układu.
9.3. Przedostawanie się powietrza
Jak już wspomniano wcześniej, powietrze w cieczy hydraulicznej stwarza poważne problemy. Najczęstszymi powodami przedostawania się powietrza do układów hydraulicznych są:
nieszczelne przewody ssące,
nieszczelna pompa,
zbyt niski poziom cieczy hydraulicznej,
nadmierna turbulencja w zbyt małym zbiorniku,
przewody powrotne nie zanurzone w oleju (pienienie).
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Egzotyczne oleje w kosmetykach, Studium kosmetyczne, Chemia kosmetyczna
Egzotyczne oleje w kosmetykach, Studium kosmetyczne, Chemia kosmetyczna
Referat Chemia Chemia organiczna i nieorganiczna, historia, właściwości, klasyfikacja, reakcje, mech
Historia książki 4
Chemia Bionie wyk1
Krótka historia szatana
chemia powt
Historia Papieru
modul I historia strategii2002
Historia turystyki na Swiecie i w Polsce cz 4
Historia elektroniki
Historia książki
historia administracji absolutyzm oświecony
więcej podobnych podstron