Ciecze robocze Właściwości fizykochemiczne cieczy roboczych stosowanych w hydrostatycznych układach napędowych WYDZIAŁ MECHANICZNY POLITECHNIKI WROCŁAWSKIEJ 1 października 2011 Autor: Łukasz Bułgajewski, Filip Jakub Ulatowski Ciecze robocze Właściwości fizykochemiczne cieczy roboczych stosowanych w hydrostatycznych układach napędowych 1. Ściśliwośd Ściśliwośd cieczy to właściwośd, której uwzględnianie staje się konieczne dopiero wtedy, gdy analizowane zjawisko jest zjawiskiem dynamicznym. Miarą tej cechy jest współczynnik ściśliwości, którego wartośd liczbowa determinowana jest wartością objętości oraz ciśnienia. Formalnie wyraża więc on dla danej cieczy zależnośd między jej objętością a ciśnieniem. Jednostką współczynnika ściśliwości jest Pa-1. *β+ = Pa-1 Jednym z najważniejszych (w kontekście zastosowao technicznych) czynników mających wpływ na ściśliwośd jest stopieo zanieczyszczenia cieczy powietrzem. Ściśliwośd bowiem wzrasta wraz ze stopniem zanieczyszczenia. 2. Moduł sprężystości objętościowej Moduł sprężystości objętościowej jest wielkością abstrakcyjną, której wartośd jest odwrotnością wartości ściśliwości. Między jednostkami tych wielkości zachodzi oczywiście ta sama zależnośd a więc: *E+ = *β+-1 = ((Pa)-1)-1 = Pa Konsekwencją zwiększania się ściśliwości cieczy wraz ze wzrostem stopnia zanieczyszczenia powietrzem jest zmniejszanie się wartości modułu ściśliwości, co wynika wprost z jego definicji. 1 Ciecze robocze | 2011-10-01 3. Rozszerzalnośd objętościowa Współczynnik rozszerzalności objętościowej charakteryzuje zmianę objętości cieczy wraz ze zmianą jej temperatury przy stałym ciśnieniu. Wartośd tego współczynnika zależy bowiem od ciśnienia. Nie zależy ona natomiast od temperatury. Wartośd współczynnika rozszerzalności objętościowej maleje wraz ze wzrostem wartości ciśnienia. Jednostką tego współczynnika jest 1/°C. *α+ = 1/°C Ogrzanie cieczy roboczej stosowanej w napędach hydrostatycznych o 1°C skutkuje zwiększeniem jej objętości oraz zmniejszeniem jej gęstości o ok. 0,07%. Sytuacją, w której nawet tak mała zmiana nie może byd pominięta, jest praca z cieczą, która w warunkach roboczych znajduje się w szczelnie zamkniętych cylindrach będąc jednocześnie narażoną na podgrzanie. 4. Ciepło właściwe i przewodnictwo cieplne Ciepło właściwe oraz współczynnik przewodzenia ciepła to wielkości, przy pomocy których opisujemy zjawisko polegające na wzroście temperatury podczas pracy układu hydraulicznego, będącym skutkiem oporów przepływu. Zjawisko to jest więc hydraulicznym odpowiednikiem nagrzewania się przewodów elektrycznych. Ciepło właściwe to z definicji ilośd ciepła, jaką trzeba doprowadzid do danego ośrodka1 , aby spowodowad zwiększenie jego temperatury o jeden stopieo. 5. Lepkośd kinematyczna i dynamiczna Lepkośd cieczy to tarcie wewnętrzne występujące pomiędzy jej warstwami towarzyszące jej ruchowi. Pochodzące od takiej siły 1 tutaj: cieczy roboczej 2 Ciecze robocze | 2011-10-01 tarcia naprężenia styczne opisuje wzór, w który pojawia się nowa wielkośd, nazywana współczynnikiem lepkości dynamicznej. τ = μ Wprowadzona wyżej zależnośd to równanie Newtona. Jednostką lepkości dynamicznej jest puaz. *μ+ = P = 10-1 Współczynnik lepkości kinematycznej określamy stosunkiem lepkości dynamicznej do gęstości cieczy. Jednostką lepkości kinematycznej jest stokes. *ν+ = St = = 10-4 6. Wpływ temperatury na lepkośd cieczy roboczych Wzrost temperatury cieczy roboczych skutkuje zwiększeniem się ich objętości2 , średnia droga swobodna molekuł tej cieczy ulega więc wydłużeniu. Oznacza to mniej zderzeo między molekułami danej cieczy a więc zmniejszenie sił tarcia występujących między warstwami cieczy, co w świetle definicji lepkości3 pozwala sformułowad następujący wniosek: Wzrost temperatury cieczy roboczej skutkuje zmniejszeniem się jej lepkości. Oleje mniej lepkie uważamy za lepsze (w sensie przydatności) od tych o większej lepkości, ponieważ z reguły oleje takie wykazują znacznie mniejszą tendencję do zmian swojej lepkości pod wpływem zmian temperatury. 2 Patrz: punkt 3. 3 Patrz: punkt 5. 3 Ciecze robocze | 2011-10-01 7. Wpływ ciśnienia na lepkośd cieczy roboczych Zwiększając ciśnienie cieczy obserwujemy wzrost jej lepkości, co wynika z rozumowania analogicznego do tego zaprezentowanego w punkcie poprzednim niniejszej pracy. Zmiana lepkości wraz z ciśnieniem staje się bardziej widoczna (bardziej intensywna, jej stopieo się zwiększa) w wyższych zakresach wartości ciśnienia. 8. Pienienie się olejów Mimo, że pienienie się olejów jest, jak dotąd, zjawiskiem wciąż jeszcze słabo poznanym, wiadomo, że jedną z jego przyczyn jest wywiązywanie się rozpuszczonego w oleju powietrza. Obecnośd powietrza w oleju może byd spowodowana jednym z poniższych (bądź też koniunkcją kilku z nich) czynników:  zasysanie powietrza do pompy spowodowane nieszczelnością przewodu ssawnego  zbyt niski poziom oleju w zbiorniku, co skutkuje wspomnianym wyżej zasysaniem  umiejscowienie przewodu spływowego zbyt wysoko (ponad zwierciadłem), w wyniku czego wypływający z niego olej rozbryzgując się miesza się z powietrzem  niestaranne odpowietrzenie układu  nieszczelnośd akumulatorów gazowych Zawartośd rozpuszczonego powietrza (bądź też innych gazów) jest jednoznacznie negatywną cechą cieczy roboczej. 9. Własności smarne Własności smarne olejów stosowanych w napędach hydraulicznych odgrywają podczas pracy układu bardzo dużą rolę ze względu na wielkośd (zazwyczaj bardzo dużą w hydraulice siłowej) występujących w układzie obciążeo. Celem stosowania każdej substancji smarnej jest, co oczywiste, zmniejszenie tarcia między elementami współpracującymi. Olej roboczy jest już substancją 4 Ciecze robocze | 2011-10-01 smarną sam w sobie, dodaje się jednak do olejów różne dodatki mające na celu jeszcze bardziej tę zaletę oleju zwiększyd. Aby dobrze spełniad swoją rolę, stosowany w układach napędu hydrostatycznego olej musi utrzymywad swoje własności smarne w całym zakresie temperatur, jaki występowad będzie podczas pracy. 10. Własności deemulgacyjne Własności deemulgacyjne można inaczej nazwad odpornością oleju na tworzenie (po połączeniu się z wodą) emulsji. Obecnośd takiej emulsji wpływa (w stopniu znaczącym) na zmianę lepkości cieczy roboczej, na pogorszenie jej własności smarnych a także przyczynia się do zaistnienia korozji a więc szybszego zużycia się elementów układu. W wyniku uwalniania się powietrza z oleju (rozpadu emulsji) tworzą się poduszki powietrzne skutkujące podczas eksploatacji układu pojawieniem się drgao i uderzeo. Własności deemulgacyjne cieczy roboczych poprawia się wykorzystując w tym celu dodatki przeciwemulgacyjne. 11. Własności korozyjne Ryzyko korozji w układach napędu hydrostatycznego pojawia się dopiero w sytuacji zanieczyszczenia cieczy roboczej wodą (i to już przy niewielkich ilościach!). Z zagrożeniem tym walczy się stosując powłoki ochronne elementów układu, które wytworzone zostają za sprawą dodawanych do cieczy roboczej dodatków antykorozyjnych. Oprócz tworzenia powłoki ochronnej dodatki te wykazują również działanie neutralizujące agresywne dla metali produkty zachodzących w cieczy roboczej reakcji chemicznych. Większośd dodatków antykorozyjnych wręcz zapobiega zachodzeniu tych reakcji. 5 Ciecze robocze | 2011-10-01 12. Agresywnośd olejów w stosunku do uszczelnieo Wszystkie stosowane do celów uszczelniających materiały są wrażliwe na kontakt z olejami mineralnymi. Wrażliwośd ta objawia się pęcznieniem lub twardnieniem uszczelek. Czynnikami determinującymi stopieo intensyfikacji szkodliwego działania oleju na materiał, z którego wykonano uszczelnienie są:  temperatura  czas oddziaływania na uszczelkę  lepkośd oleju  struktura oleju Wzrost stopnia spęczania powodowany jest wzrostem temperatury i trwaniem okresu oddziaływania ze sobą obydwóch ośrodków. Duża lepkośd stosowanego oleju również jest czynnikiem z punktu widzenia omawianego problemu niepożądanym. Uszczelkę uważamy za zniszczoną (nienadającą się do dalszej eksploatacji), gdy zmiana jej objętości po stu godzinach kontaktu z olejem o temperaturze 80°C przekracza 3%. Na przeprowadzeniu takiego właśnie testu polega technologiczna próba pęcznienia, której celem jest weryfikacja przydatności danego typu uszczelki do pracy w stosowanym w danym układzie oleju. UWAGA: Uszlachetnianie olejów sprzyja pęcznieniu uszczelek! 13. Palnośd olejów Temperaturą zapłonu nazywamy najniższą temperaturę, przy której zbliżony do cieczy roboczej płomieo wywoła jej zapłon. W 6 Ciecze robocze | 2011-10-01 technicznych zastosowaniach nie występuje ciecz robocza4 o temperaturze zapłonu niższej niż 150°C. Wartośd tej temperatury zależy od rodzaju oleju. Temperatura samozapłonu (o wartości znacznie wyższej niż temperatura zapłonu) to taka temperatura, przy której zbędne staje się zbliżenie płomienia w celu wywołania zapłonu oleju, spalanie rozpoczyna się samoistnie. 14. Starzenie się olejów W kontekście omawiania właściwości olejów starzeniem się nazywamy wywołany głównie utlenianiem się spadek5 własności fizykochemicznych ośrodka. Liczba kwasowa – liczba wyrażająca liczbę miligramów wodorotlenku potasowego (KOH) potrzebną do zobojętnienia wolnych kwasów zawartych w jednym gramie oleju. Liczba zmydlenia – liczba miligramów wodorotlenku potasowego (KOH) potrzebna do zmydlenia jednego grama badanego oleju i zobojętnienia zawartych w nim wolnych i związanych kwasów organicznych. Procesowi starzenia się olejów towarzyszy wzrost wartości obydwóch zdefiniowanych wyżej liczb. Zwiększa się również ilośd osadów. Lepkośd oleju, natomiast, ulega zmniejszeniu. Jednym z czynników powodujących przyspieszenie procesu starzenia się olejów jest wzrost temperatury. Przykładem negatywnego skutku zestarzenia się oleju jest, natomiast, postępująca korozja. Proces 4 olej mineralny 5 tutaj: pogorszenie się 7 Ciecze robocze | 2011-10-01 starzenia się olejów może ulec osłabieniu, jeżeli zastosuje się inhibitory utleniania. Inhibitory utleniania to dodawane do oleju składniki mające na celu zahamowanie procesu utleniania (a więc pośrednio starzenia się) olejów a w razie „niepowodzenia” - zobojętnienie jego produktów. 15. Ciecze niepalne Rozdział niniejszy podzielono na cztery podrozdziały, co odpowiada przyjętemu powszechnie podziałowi cieczy niepalnych na cztery klasy (jedną bezwodną oraz trzy posiadające w swym składzie wodę). 15.1 Ciecze klasy HFA (wodnej) Klasę tą stanowią emulsje oleju w wodzie z możliwością biodegradacji. Emulsje tej klasy odznaczają się zadowalającymi własnościami smarnymi ale najniższym spośród cieczy wszystkich czterech klas przedziałem dopuszczalnych temperatur, w jakich mogą one byd eksploatowane. Ciecze tej klasy nie powodują korozji elementów układu i charakteryzują się dobrym przewodnictwem cieplnym. Zawartośd wody w cieczach klasy HFA sięga 80%. 15.2 Ciecze klasy HFB (wodnej) Tę klasę stanowią emulsje wody w oleju (w przeciwieostwie do omówionych wyżej cieczy klasy HFA). Stosowaniu cieczy tej klasy towarzyszy ryzyko wystąpienia zjawiska samozapłonu (nawet poniżej temperatury 1000°C) ale dopiero po odparowaniu wody. Ciecze tej klasy nie są biodegradowalne. Posiadają lepsze własności smarne niż 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 zagrożenia korozją. Mają, natomiast, mniejszą zawartośd wody (tylko 40%). 15.3 Ciecze klasy HFC (wodnej) Klasa HFC obejmuje wodne roztwory glikoli. Podobnie jak u cieczy klasy HFB po odparowaniu wody wystąpid może zjawisko samozapłonu i niemożliwa jest ich biodegradacja. Ciecze te osiadają najlepsze własności smarne spośród wszystkich dotychczas omówionych klas (czyli spośród wszystkich klas „wodnych”) oraz najszerszy zakres dopuszczalnych temperatur pracy (-30°C ~ 60°C). Są tak odporne na wywoływanie korozji7 jak ciecze klasy HFB. Ciecze klasy HFC są (jako jedyne spośród wszystkich klas „wodnych”) agresywne w stosunku do następujących metali:  kadm  cynk  aluminium Ciecze klasy HFC zawierają 35% ~ 55% wody i dobrze przewodzą ciepło. 15.4 Ciecze klasy HFD (bezwodnej) Klasę tą stanowią bezwodne ciecze syntetyczne (estry fosforanowe). Samozapłon tych cieczy następuje w temperaturze 593°C. Niemożliwa jest ich biodegradacja. Ciecze tej klasy są wspaniałymi środkami smarnymi, pracującymi w relatywnie szerokim zakresie temperatur (-20°C ~ 150°C). Dzięki brakowi zawartości wody8 nie zagrażają korodowaniem elementów układu, w którym je zastosowano. W przeciwieostwie do cieczy „wodnych” (czyli każdej 6 Wystarczające zminimalizowanie 7 Patrz: następne zdanie! 8 Zawartośd wody: do 0,1% (wagowego) 9 Ciecze robocze | 2011-10-01 z trzech omówionych wyżej klas) nie są dobrymi przewodnikami ciepła. 10 Ciecze robocze | 2011-10-01