��Ciecze robocze WB
a[
ciwo[
ci fizykochemiczne cieczy roboczych stosowanych w hydrostatycznych ukB
adach nap
dowych WYDZIAA
MECHANICZNY POLITECHNIKI WROCA
AWSKIEJ 1 paz
dziernika 2011 Autor: A
ukasz BuB
gajewski, Filip Jakub Ulatowski Ciecze robocze WB
a[
ciwo[
ci fizykochemiczne cieczy roboczych stosowanych w hydrostatycznych ukB
adach nap
dowych 1. Z
ci[
liwo[
d Z
ci[
liwo[
d cieczy to wB
a[
ciwo[
d, kt�rej uwzgl
dnianie staje si
konieczne dopiero wtedy, gdy analizowane zjawisko jest zjawiskiem dynamicznym. Miar
tej cechy jest wsp�B
czynnik [
ci[
liwo[
ci, kt�rego warto[
d liczbowa determinowana jest warto[
ci
obj
to[
ci oraz ci[
nienia. Formalnie wyra|
a wi
c on dla danej cieczy zale|
no[
d mi
dzy jej obj
to[
ci
a ci[
nieniem. Jednostk
wsp�B
czynnika [
ci[
liwo[
ci jest Pa-1. *�+ = Pa-1 Jednym z najwa|
niejszych (w kontek[
cie zastosowao technicznych) czynnik�w maj
cych wpB
yw na [
ci[
liwo[
d jest stopieo zanieczyszczenia cieczy powietrzem. Z
ci[
liwo[
d bowiem wzrasta wraz ze stopniem zanieczyszczenia. 2. ModuB
spr
|
ysto[
ci obj
to[
ciowej ModuB
spr
|
ysto[
ci obj
to[
ciowej jest wielko[
ci
abstrakcyjn
, kt�rej warto[
d jest odwrotno[
ci
warto[
ci [
ci[
liwo[
ci. Mi
dzy jednostkami tych wielko[
ci zachodzi oczywi[
cie ta sama zale|
no[
d a wi
c: *E+ = *�+-1 = ((Pa)-1)-1 = Pa Konsekwencj
zwi
kszania si
[
ci[
liwo[
ci cieczy wraz ze wzrostem stopnia zanieczyszczenia powietrzem jest zmniejszanie si
warto[
ci moduB
u [
ci[
liwo[
ci, co wynika wprost z jego definicji. 1 Ciecze robocze | 2011-10-01 3. Rozszerzalno[
d obj
to[
ciowa Wsp�B
czynnik rozszerzalno[
ci obj
to[
ciowej charakteryzuje zmian
obj
to[
ci cieczy wraz ze zmian
jej temperatury przy staB
ym ci[
nieniu. Warto[
d tego wsp�B
czynnika zale|
y bowiem od ci[
nienia. Nie zale|
y ona natomiast od temperatury. Warto[
d wsp�B
czynnika rozszerzalno[
ci obj
to[
ciowej maleje wraz ze wzrostem warto[
ci ci[
nienia. Jednostk
tego wsp�B
czynnika jest 1/�C. *�+ = 1/�C Ogrzanie cieczy roboczej stosowanej w nap
dach hydrostatycznych o 1�C skutkuje zwi
kszeniem jej obj
to[
ci oraz zmniejszeniem jej g
sto[
ci o ok. 0,07%. Sytuacj
, w kt�rej nawet tak maB
a zmiana nie mo|
e byd pomini
ta, jest praca z ciecz
, kt�ra w warunkach roboczych znajduje si
w szczelnie zamkni
tych cylindrach b
d
c jednocze[
nie nara|
on
na podgrzanie. 4. CiepB
o wB
a[
ciwe i przewodnictwo cieplne CiepB
o wB
a[
ciwe oraz wsp�B
czynnik przewodzenia ciepB
a to wielko[
ci, przy pomocy kt�rych opisujemy zjawisko polegaj
ce na wzro[
cie temperatury podczas pracy ukB
adu hydraulicznego, b
d
cym skutkiem opor�w przepB
ywu. Zjawisko to jest wi
c hydraulicznym odpowiednikiem nagrzewania si
przewod�w elektrycznych. CiepB
o wB
a[
ciwe to z definicji ilo[
d ciepB
a, jak
trzeba doprowadzid do danego o[
rodka1 , aby spowodowad zwi
kszenie jego temperatury o jeden stopieo. 5. Lepko[
d kinematyczna i dynamiczna Lepko[
d cieczy to tarcie wewn
trzne wyst
puj
ce pomi
dzy jej warstwami towarzysz
ce jej ruchowi. Pochodz
ce od takiej siB
y 1 tutaj: cieczy roboczej 2 Ciecze robocze | 2011-10-01 tarcia napr
|
enia styczne opisuje wz�r, w kt�ry pojawia si
nowa wielko[
d, nazywana wsp�B
czynnikiem lepko[
ci dynamicznej. � = � Wprowadzona wy|
ej zale|
no[
d to r�wnanie Newtona. Jednostk
lepko[
ci dynamicznej jest puaz. *�+ = P = 10-1 Wsp�B
czynnik lepko[
ci kinematycznej okre[
lamy stosunkiem lepko[
ci dynamicznej do g
sto[
ci cieczy. Jednostk
lepko[
ci kinematycznej jest stokes. *�+ = St = = 10-4 6. WpB
yw temperatury na lepko[
d cieczy roboczych Wzrost temperatury cieczy roboczych skutkuje zwi
kszeniem si
ich obj
to[
ci2 , [
rednia droga swobodna molekuB
tej cieczy ulega wi
c wydB
u|
eniu. Oznacza to mniej zderzeo mi
dzy molekuB
ami danej cieczy a wi
c zmniejszenie siB
tarcia wyst
puj
cych mi
dzy warstwami cieczy, co w [
wietle definicji lepko[
ci3 pozwala sformuB
owad nast
puj
cy wniosek: Wzrost temperatury cieczy roboczej skutkuje zmniejszeniem si
jej lepko[
ci. Oleje mniej lepkie uwa|
amy za lepsze (w sensie przydatno[
ci) od tych o wi
kszej lepko[
ci, poniewa|
z reguB
y oleje takie wykazuj
znacznie mniejsz
tendencj
do zmian swojej lepko[
ci pod wpB
ywem zmian temperatury. 2 Patrz: punkt 3. 3 Patrz: punkt 5. 3 Ciecze robocze | 2011-10-01 7. WpB
yw ci[
nienia na lepko[
d cieczy roboczych Zwi
kszaj
c ci[
nienie cieczy obserwujemy wzrost jej lepko[
ci, co wynika z rozumowania analogicznego do tego zaprezentowanego w punkcie poprzednim niniejszej pracy. Zmiana lepko[
ci wraz z ci[
nieniem staje si
bardziej widoczna (bardziej intensywna, jej stopieo si
zwi
ksza) w wy|
szych zakresach warto[
ci ci[
nienia. 8. Pienienie si
olej�w Mimo, |
e pienienie si
olej�w jest, jak dot
d, zjawiskiem wci
|
jeszcze sB
abo poznanym, wiadomo, |
e jedn
z jego przyczyn jest wywi
zywanie si
rozpuszczonego w oleju powietrza. Obecno[
d powietrza w oleju mo|
e byd spowodowana jednym z poni|
szych (b
dz
te|
koniunkcj
kilku z nich) czynnik�w: �� zasysanie powietrza do pompy spowodowane nieszczelno[
ci
przewodu ssawnego �� zbyt niski poziom oleju w zbiorniku, co skutkuje wspomnianym wy|
ej zasysaniem �� umiejscowienie przewodu spB
ywowego zbyt wysoko (ponad zwierciadB
em), w wyniku czego wypB
ywaj
cy z niego olej rozbryzguj
c si
miesza si
z powietrzem �� niestaranne odpowietrzenie ukB
adu �� nieszczelno[
d akumulator�w gazowych Zawarto[
d rozpuszczonego powietrza (b
dz
te|
innych gaz�w) jest jednoznacznie negatywn
cech
cieczy roboczej. 9. WB
asno[
ci smarne WB
asno[
ci smarne olej�w stosowanych w nap
dach hydraulicznych odgrywaj
podczas pracy ukB
adu bardzo du|

rol
ze wzgl
du na wielko[
d (zazwyczaj bardzo du|

w hydraulice siB
owej) wyst
puj
cych w ukB
adzie obci
|
eo. Celem stosowania ka|
dej substancji smarnej jest, co oczywiste, zmniejszenie tarcia mi
dzy elementami wsp�B
pracuj
cymi. Olej roboczy jest ju|
substancj
4 Ciecze robocze | 2011-10-01 smarn
sam w sobie, dodaje si
jednak do olej�w r�|
ne dodatki maj
ce na celu jeszcze bardziej t
zalet
oleju zwi
kszyd. Aby dobrze speB
niad swoj
rol
, stosowany w ukB
adach nap
du hydrostatycznego olej musi utrzymywad swoje wB
asno[
ci smarne w caB
ym zakresie temperatur, jaki wyst
powad b
dzie podczas pracy. 10. WB
asno[
ci deemulgacyjne WB
asno[
ci deemulgacyjne mo|
na inaczej nazwad odporno[
ci
oleju na tworzenie (po poB

czeniu si
z wod
) emulsji. Obecno[
d takiej emulsji wpB
ywa (w stopniu znacz
cym) na zmian
lepko[
ci cieczy roboczej, na pogorszenie jej wB
asno[
ci smarnych a tak|
e przyczynia si
do zaistnienia korozji a wi
c szybszego zu|
ycia si
element�w ukB
adu. W wyniku uwalniania si
powietrza z oleju (rozpadu emulsji) tworz
si
poduszki powietrzne skutkuj
ce podczas eksploatacji ukB
adu pojawieniem si
drgao i uderzeo. WB
asno[
ci deemulgacyjne cieczy roboczych poprawia si
wykorzystuj
c w tym celu dodatki przeciwemulgacyjne. 11. WB
asno[
ci korozyjne Ryzyko korozji w ukB
adach nap
du hydrostatycznego pojawia si
dopiero w sytuacji zanieczyszczenia cieczy roboczej wod
(i to ju|
przy niewielkich ilo[
ciach!). Z zagro|
eniem tym walczy si
stosuj
c powB
oki ochronne element�w ukB
adu, kt�re wytworzone zostaj
za spraw
dodawanych do cieczy roboczej dodatk�w antykorozyjnych. Opr�cz tworzenia powB
oki ochronnej dodatki te wykazuj
r�wnie|
dziaB
anie neutralizuj
ce agresywne dla metali produkty zachodz
cych w cieczy roboczej reakcji chemicznych. Wi
kszo[
d dodatk�w antykorozyjnych wr
cz zapobiega zachodzeniu tych reakcji. 5 Ciecze robocze | 2011-10-01 12. Agresywno[
d olej�w w stosunku do uszczelnieo Wszystkie stosowane do cel�w uszczelniaj
cych materiaB
y s
wra|
liwe na kontakt z olejami mineralnymi. Wra|
liwo[
d ta objawia si
p
cznieniem lub twardnieniem uszczelek. Czynnikami determinuj
cymi stopieo intensyfikacji szkodliwego dziaB
ania oleju na materiaB
, z kt�rego wykonano uszczelnienie s
: �� temperatura �� czas oddziaB
ywania na uszczelk
�� lepko[
d oleju �� struktura oleju Wzrost stopnia sp
czania powodowany jest wzrostem temperatury i trwaniem okresu oddziaB
ywania ze sob
obydw�ch o[
rodk�w. Du|
a lepko[
d stosowanego oleju r�wnie|
jest czynnikiem z punktu widzenia omawianego problemu niepo|

danym. Uszczelk
uwa|
amy za zniszczon
(nienadaj
c
si
do dalszej eksploatacji), gdy zmiana jej obj
to[
ci po stu godzinach kontaktu z olejem o temperaturze 80�C przekracza 3%. Na przeprowadzeniu takiego wB
a[
nie testu polega technologiczna pr�ba p
cznienia, kt�rej celem jest weryfikacja przydatno[
ci danego typu uszczelki do pracy w stosowanym w danym ukB
adzie oleju. UWAGA: Uszlachetnianie olej�w sprzyja p
cznieniu uszczelek! 13. Palno[
d olej�w Temperatur
zapB
onu nazywamy najni|
sz
temperatur
, przy kt�rej zbli|
ony do cieczy roboczej pB
omieo wywoB
a jej zapB
on. W 6 Ciecze robocze | 2011-10-01 technicznych zastosowaniach nie wyst
puje ciecz robocza4 o temperaturze zapB
onu ni|
szej ni|
150�C. Warto[
d tej temperatury zale|
y od rodzaju oleju. Temperatura samozapB
onu (o warto[
ci znacznie wy|
szej ni|
temperatura zapB
onu) to taka temperatura, przy kt�rej zb
dne staje si
zbli|
enie pB
omienia w celu wywoB
ania zapB
onu oleju, spalanie rozpoczyna si
samoistnie. 14. Starzenie si
olej�w W kontek[
cie omawiania wB
a[
ciwo[
ci olej�w starzeniem si
nazywamy wywoB
any gB
�wnie utlenianiem si
spadek5 wB
asno[
ci fizykochemicznych o[
rodka. Liczba kwasowa  liczba wyra|
aj
ca liczb
miligram�w wodorotlenku potasowego (KOH) potrzebn
do zoboj
tnienia wolnych kwas�w zawartych w jednym gramie oleju. Liczba zmydlenia  liczba miligram�w wodorotlenku potasowego (KOH) potrzebna do zmydlenia jednego grama badanego oleju i zoboj
tnienia zawartych w nim wolnych i zwi
zanych kwas�w organicznych. Procesowi starzenia si
olej�w towarzyszy wzrost warto[
ci obydw�ch zdefiniowanych wy|
ej liczb. Zwi
ksza si
r�wnie|
ilo[
d osad�w. Lepko[
d oleju, natomiast, ulega zmniejszeniu. Jednym z czynnik�w powoduj
cych przyspieszenie procesu starzenia si
olej�w jest wzrost temperatury. PrzykB
adem negatywnego skutku zestarzenia si
oleju jest, natomiast, post
puj
ca korozja. Proces 4 olej mineralny 5 tutaj: pogorszenie si
7 Ciecze robocze | 2011-10-01 starzenia si
olej�w mo|
e ulec osB
abieniu, je|
eli zastosuje si
inhibitory utleniania. Inhibitory utleniania to dodawane do oleju skB
adniki maj
ce na celu zahamowanie procesu utleniania (a wi
c po[
rednio starzenia si
) olej�w a w razie  niepowodzenia - zoboj
tnienie jego produkt�w. 15. Ciecze niepalne RozdziaB
niniejszy podzielono na cztery podrozdziaB
y, co odpowiada przyj
temu powszechnie podziaB
owi cieczy niepalnych na cztery klasy (jedn
bezwodn
oraz trzy posiadaj
ce w swym skB
adzie wod
). 15.1 Ciecze klasy HFA (wodnej) Klas
t
stanowi
emulsje oleju w wodzie z mo|
liwo[
ci
biodegradacji. Emulsje tej klasy odznaczaj
si
zadowalaj
cymi wB
asno[
ciami smarnymi ale najni|
szym spo[
r�d cieczy wszystkich czterech klas przedziaB
em dopuszczalnych temperatur, w jakich mog
one byd eksploatowane. Ciecze tej klasy nie powoduj
korozji element�w ukB
adu i charakteryzuj
si
dobrym przewodnictwem cieplnym. Zawarto[
d wody w cieczach klasy HFA si
ga 80%. 15.2 Ciecze klasy HFB (wodnej) T
klas
stanowi
emulsje wody w oleju (w przeciwieostwie do om�wionych wy|
ej cieczy klasy HFA). Stosowaniu cieczy tej klasy towarzyszy ryzyko wyst
pienia zjawiska samozapB
onu (nawet poni|
ej temperatury 1000�C) ale dopiero po odparowaniu wody. Ciecze tej klasy nie s
biodegradowalne. Posiadaj
lepsze wB
asno[
ci smarne ni|
ciecze klasy HFA oraz szerszy zakres temperatur eksploatacji. Podobnie jak ciecze klasy HFA, klasa HFB to dobre 8 Ciecze robocze | 2011-10-01 przewodnictwo cieplne i brak6 zagro|
enia korozj
. Maj
, natomiast, mniejsz
zawarto[
d wody (tylko 40%). 15.3 Ciecze klasy HFC (wodnej) Klasa HFC obejmuje wodne roztwory glikoli. Podobnie jak u cieczy klasy HFB po odparowaniu wody wyst
pid mo|
e zjawisko samozapB
onu i niemo|
liwa jest ich biodegradacja. Ciecze te osiadaj
najlepsze wB
asno[
ci smarne spo[
r�d wszystkich dotychczas om�wionych klas (czyli spo[
r�d wszystkich klas  wodnych ) oraz najszerszy zakres dopuszczalnych temperatur pracy (-30�C ~ 60�C). S
tak odporne na wywoB
ywanie korozji7 jak ciecze klasy HFB. Ciecze klasy HFC s
(jako jedyne spo[
r�d wszystkich klas  wodnych ) agresywne w stosunku do nast
puj
cych metali: �� kadm �� cynk �� aluminium Ciecze klasy HFC zawieraj
35% ~ 55% wody i dobrze przewodz
ciepB
o. 15.4 Ciecze klasy HFD (bezwodnej) Klas
t
stanowi
bezwodne ciecze syntetyczne (estry fosforanowe). SamozapB
on tych cieczy nast
puje w temperaturze 593�C. Niemo|
liwa jest ich biodegradacja. Ciecze tej klasy s
wspaniaB
ymi [
rodkami smarnymi, pracuj
cymi w relatywnie szerokim zakresie temperatur (-20�C ~ 150�C). Dzi
ki brakowi zawarto[
ci wody8 nie zagra|
aj
korodowaniem element�w ukB
adu, w kt�rym je zastosowano. W przeciwieostwie do cieczy  wodnych (czyli ka|
dej 6 Wystarczaj
ce zminimalizowanie 7 Patrz: nast
pne zdanie! 8 Zawarto[
d wody: do 0,1% (wagowego) 9 Ciecze robocze | 2011-10-01 z trzech om�wionych wy|
ej klas) nie s
dobrymi przewodnikami ciepB
a. 10 Ciecze robocze | 2011-10-01