Rozdział XI: Ciecze do układów hydraulicznych, Schematy z Ochrona środowiska

Pobierz Rozdział XI: Ciecze do układów hydraulicznych i więcej Schematy w PDF z Ochrona środowiska tylko na Docsity!

Rozdział XI: Ciecze do układów hydraulicznych

11.1 Rodzaje napędów hydraulicznych

Napędy hydrauliczne są to elementy maszyn, które przekazują i przekształcają energię w różnego rodzaju ruchy urządzeń wyko- nawczych, odpowiednie dla potrzeb użytkownika. Wyróżnia się dwa podstawowe typy napędów hydraulicznych: hydrokinetyczne i hydrostatyczne. Napędy hydrokinetyczne, są to mechanizmy (elementy ma- szyn) wykorzystujące energię kinetyczną cieczy. Zaliczane są do nich: q sprzęgła hydrokinetyczne, q przemienniki hydrokinetyczne, przekładnie hydrokinetyczne, przemienniki momentu obrotowego Napędy hydrokinetyczne są zbudowane z dwóch głównych elementów: wirnika silnika i wirnika odbiornika, zamontowanych we wspólnej obudowie, wypełnionej cieczą hydrauliczną jak to przykładowo pokazano na rys. 11.1. Napędy hydrostatyczne, są to mechanizmy (elementy ma- szyn), gdzie energia jest przekazywana poprzez zmiany ciśnienia, bez dużych zmian prędkości cieczy hydraulicznej. Działanie napę- dów hydrostatycznych jest oparte na prawie Pascala. Prawo Pascala – ciśnienie wewnątrz cieczy (płynu) będącej w równowadze, wywołane działaniem sił powierzchniowych (ciśnieniowych) ma wartość jednakową we wszystkich punktach cieczy (płynu). Przykładem układu hydrostatycznego jest prasa hydrauliczna, której zasadę działania przedstawia rys. 11.2, a opisuje ją wzór (11.1): F 1 : S 1 = F 2 : S 2 (11.1) gdzie: F 1 - siła na wejściu, F 2 - siła na wyjściu, S 1 - powierzchnia tłoka napędu, S 2 - powierzchnia tłoka roboczego.

11.2 Układy hydrauliczne

Układ hydrauliczny jest to zespół wzajemnie połączonych ele- mentów przeznaczonych do przekazywania energii lub sterowania za pośrednictwem cieczy hydraulicznej pod ciśnieniem, w układzie zamkniętym. W układach hydraulicznych elementem roboczym jest ciecz hydrauliczna (zwana również cieczą roboczą, olejem hy- draulicznym lub płynem hydraulicznym), przekazuje ona energię z generatora do jednego lub kilku odbiorników, względnie do kilku elementów sterowania i regulacji. W układach hydraulicznych elementem generującym energię jest pompa, a elementami odbierającymi są siłowniki hydrauliczne, które w zależności od wykonywanego ruchu dzielą się na: q cylindry hydrauliczne, zmieniające energię strumienia cieczy w ruch prostoliniowy, q silniki hydrauliczne, zmieniające energię strumienia cieczy na ruch obrotowy. Rys. 11.1 Schemat hydraulicznego przemiennika momentu obrotowego 1 – wałek napędzający, 2 – wirnik akumulatora, 3 – wirnik napędzany, 4 - turbina 5 – wałek napędzany, 6 – ciecz hydrauliczna M 1 – moment wałka napędzającego, n 1 – obroty wałka napędzającego, M 2 – mo- ment wałka napędzanego, n 2 – obroty wałka napędzanego Rys. 11.2 Zasada działania układu hydrostatycznego

Rozdział XI

CIECZE

DO UKŁADÓW

HYDRAULICZNYCH

Poszczególne zespoły układów hydraulicznych są połączone między sobą przewodami hydraulicznymi. W niniejszym opraco- waniu przedstawiono jedynie specyficzną grupę cieczy hydraulicz- nych – ciecze do układów hydrostatycznych. Podstawowymi elementami hydraulicznych układów hydrosta- tycznych są: q pompy hydrauliczne (trybikowe, tłokowe, nurnikowe itp.), q siłowniki hydrauliczne (silniki liniowe), q silniki hydrauliczne (obrotowe), q zawory, q filtry, q przewody hydrauliczne, q zbiornik cieczy hydraulicznej, q układ odpowietrzający, q zespoły pomiarowe i pomocnicze (manometry, przepływomie- rze, króćce do pobierania próbek, chłodnice itp.), q ciecz hydrauliczna. Układy hydrauliczne mogą napędzać jeden (pojedyncze) albo wiele (wielokrotne) cylindrów hydraulicznych lub silników hy- draulicznych. Schemat hydrostatycznego układu hydraulicznego z siłownikiem hydraulicznym i silnikiem hydraulicznym, przedsta- wiono na rys. 11.

11.3 Funkcje cieczy hydraulicznych

Ponieważ układy hydrauliczne znalazły liczne zastosowania, między innymi w przemysłach: maszynowym, samochodowym, lotniczym, metalurgicznym, zbrojeniowym, tworzyw sztucznych, w automatyce, w obrabiarkach, w rolnictwie, w budownictwie, w robotach publicznych i wielu innych; w technice tej dokonuje się nieustający postęp. Nowoczesne technologie wymagają spełnienia ściśle określonych i coraz ostrzejszych kryteriów w zakresie: q niezawodności i trwałości stosowanych materiałów konstrukcyj- nych, q optymalnych parametrów cieczy hydraulicznych, q łatwego dostosowania układów hydraulicznych do różnych ma- szyn i innych technologii (na przykład elektroniki), q przekazywania coraz większych mocy (na przykład moc rzędu 1000 kW w napędach wiertniczych), q coraz mniejszego stosunku masy układów hydraulicznych do przenoszonej mocy, q uproszczenia metod kontroli, przy jednoczesnym zwiększeniu ich precyzji, q łatwej i szybkiej konserwacji. Wszystkie wymienione czynniki stawiają przed cieczą hydrau- liczną wymagania coraz trudniejsze do spełnienia. Ciecz hydrauliczna ma za zadanie przenieść energię z napędu hydraulicznego (najczęściej pompy hydraulicznej) do odbiorników (elementów wykonawczych), takich jak: cylindry i silniki hydraulicz- ne, wykonujących czynności wymagane przez użytkownika. Ciecz hydrauliczna we współczesnych układach hydraulicznych spełnia następujące, podstawowe funkcje: q przenoszenie energii i sygnałów sterujących, q smarowanie ruchomych elementów, q odprowadzanie ciepła, q odprowadzanie zanieczyszczeń stałych z układu, q uszczelnianie układu. oraz funkcje dodatkowe: q zmniejszanie zużycia części układu hydraulicznego, q ochrona przed korozją, q zabezpieczenie przed szkodliwym działaniem wody, q zabezpieczenie przed szkodliwym działaniem powietrza. Funkcje te należy uwzględnić przy wyborze cieczy hydrau- licznej. Celem zapewnienia poprawności działania oraz trwałości i niezawodności układu hydraulicznego, ciecz hydrauliczna musi posiadać pewne podstawowe właściwości, niezbędne dla przeka- zywania energii, smarowania i ochrony, tj.: q odpowiednią lepkość, q możliwie jak najmniejsze zmiany lepkości w funkcji temperatury (wysoki wskaźnik lepkości), q wymaganą pompowalność w najniższej temperaturze użytko- wania, q mały moduł ściśliwości (na przykład: obecność powietrza w cie- czy zwiększa jej ściśliwość), q brak skłonności do pienienia, q szybkie wydzielanie powietrza, q dobre właściwości przeciwzużyciowe, q dobre właściwości przeciwkorozyjne i przeciwrdzewne, q stabilność w czasie pracy; to znaczy odporność na utlenianie, ścinanie i degradację termiczną. Pierwszą używaną cieczą hydrauliczną była woda. Miała ona wiele wad, powodowała między innymi: korozję, osadzanie się ka- mienia kotłowego, łatwo odparowywała, miała zbyt małą lepkość, złe właściwości niskotemperaturowe, a przede wszystkim brak nie- zbędnych właściwości smarnych i przeciwzużyciowych. Aktualnie, jedynie w niewielu pracujących instalacjach przemysłowych jako cieczy hydraulicznej używa się jeszcze wody, zwykle z dodatkami przeciwkorozyjnymi. Przeważająca część układów hydraulicznych, stacjonarnych lub przewoźnych, jest napełniona cieczą hydrau- liczną, najczęściej będącą uszlachetnionym olejem mineralnym lub roślinnym. Jednakże, w niektórych szczególnych przypadkach, kiedy ciecz hydrauliczna musi być trudnopalna, używa się specjal- nych cieczy syntetycznych lub w niektórych przypadkach cieczy zawierających wodę. W hydraulice przepływ jest odpowiednikiem prędkości w mechanice, natomiast ciśnienie odpowiednikiem siły. W ukła- dzie SI jednostką ciśnienia P jest Pascal (1 Pa = 1 N/m^2 ). W praktyce przemysłowej jako jednostkę ciśnienia często stosuje się bary: 1 bar = 10^5 •Pa. Typowe ciśnienie w układach hydraulicznych wyno- si od 0,5 bar do 100 bar. Jednostką przepływu Q jest metr sześcien- ny na sekundę (w praktyce: dm^3 /min lub litr/min). Rys. 11.3 Schemat hydrostatycznego układu hydraulicznego 1 – zbiornik z cieczą hydrauliczną, 2 – zawór zwrotny, 3 – pompa hydrauliczna, 4 – filtr (by–pass), 5 – zawór regulujący dopływ cieczy hydraulicznej do silnika hydraulicznego, 6 – silnik hydrauliczny, 7 – zawór regulujący dopływ cieczy hy- draulicznej do siłownika hydraulicznego, 8 – siłownik hydrauliczny, 9 – filtr, 10 – odpowietrzenie, 11 – zawór do zlewania odstojów

poza utratą skuteczności dodatków, zjawisko korozji i powstawanie osadów. Do oceny tej właściwości, są stosowane badania odporno- ści na hydrolizę, najczęściej z zastosowaniem testu „Coca-Cola” lub poprzez oznaczanie tzw. liczby zmydlenia (patrz p. 4.10.6). Odporność na tworzenie emulsji (deemulgowalność). Jeżeli ciecz hydrauliczna jest poddawana regularnym i licznym kontak- tom z wodą (co może wynikać ze specyfiki układu), niezbędne staje się używanie takiej cieczy hydraulicznej, która jest szczególnie od- porna 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, przedstawionym w p. 4.14, który polega na mieszaniu równych objętości wody i cieczy hydraulicznej (40 ml cieczy hydraulicznej i 40 ml wody) łopatkami obracającymi się z prędkością 1500 obr/min. Obserwuje się utwo- rzoną emulsję i mierzy się czas jej rozdzielania. Jako wynik podaje się w kolejności: objętość warstwy olejowej, wodnej i emulsji oraz czas rozwarstwienia. Przykładowe wyniki badania deemulgowalności: 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. Właściwości przeciwkorozyjne i przeciwrdzewne. Obecność śladów rdzy lub korozji na bardzo precyzyjnie spasowanych ele- mentach układów hydraulicznych jest niedopuszczalna i często jest powodem poważnych niesprawności układu, a nawet awarii. Dlatego ciecz hydrauliczna powinna mieć bardzo dobre właściwo- ści przeciwrdzewne i przeciwkorozyjne. Właściwości takie są uzy- skiwane w wyniku zastosowania odpowiednich baz olejowych oraz dodatków uszlachetniających, których zadaniem jest zwiększenie powinowactwa oleju do powierzchni metalowych. Właściwości przeciwrdzewne i przeciwkorozyjne cieczy hydraulicznych są oce- niane metodami, przedstawionymi w p. 4.9. Ciecz hydrauliczna nie powinna oddziaływać korozyjnie na 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 wg metody przedstawionej w p. 4.9. Na ogół wymaga się, aby ciecz hydrauliczna w tym teście nie wykazywała korozji większej od reprezentowanej wzorcem 1 lub 2 wg skali ASTM D 130/IP 154. Odporność na utlenianie. Każdy wzrost temperatury, nawet chwilowy, może powodować pogarszanie się jakości cieczy hy- draulicznej poprzez jej utlenianie i rozkład termiczny. Warunki pra- cy niektórych układów mają tendencję do dosyć silnego rozgrze- wania cieczy hydraulicznej (temperatura powyżej 60°C). W takiej sytuacji jest konieczne, aby ciecz hydrauliczna wykazywała dobre właściwości przeciwutleniające, co zapewnia dobrą trwałość cieczy bez ryzyka starzenia, korozji lub zanieczyszczania układu. Spośród wielu możliwych metod badania tendencji do sta- rzenia, zazwyczaj stosuje się badanie (patrz p. 4.8), polegające na mieszaniu oleju przy użyciu sprężonego tlenu, w obecności wody oraz katalizatorów: żelaznego i miedzianego, w temperaturze 95°C. Po zakończeniu badania, które trwa na ogół 1 000 lub 2 000 godzin, oznacza się liczbę kwasową (LK, TAN) i ilość utworzonych osadów. Odporność na ścinanie. Przy obecnym poziomie technologii rafinacji i oczyszczania, większość bazowych olejów mineralnych, stosowanych do produkcji cieczy hydraulicznych ma naturalne wskaźniki lepkości zawarte między 95 a 105. Znaczna część cie- czy 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 lepkości. Dodatki takie są polimerami o długich łańcuchach. Wiskozatory muszą być do- bierane ostrożnie, ponieważ niektóre z nich mają tendencję do „ścinania” podczas pracy. Proces ścinania wiskozatorów zachodzi szczególnie intensywnie, w przypadku szybkich zmian ciśnienia oraz występowania zjawiska kawitacji (patrz p. 4.11). Zjawisko to pociąga za sobą zmniejszenie lepkości i wskaźnika lepkości. Aby określić odporność cieczy hydraulicznych na ścinanie, naj- częściej stosuje się badania, polegające na przepuszczaniu określo- nej objętości cieczy hydraulicznej, w czasie np. 250 cykli, przez kla- syczny wtryskiwacz firmy Bosch. Gwałtowna zmiana ciśnienia (od 175 bar do 0 bar), po przejściu przez bardzo wąski otwór (2…5 μm), poddaje ciecz bardzo dużym naprężeniom ścinającym. Mierzy się różnicę lepkości przed i po badaniu. Oddziaływanie na elastomery. Ciecze hydrauliczne, giętkie przewody, uszczelki statyczne i dynamiczne, w układzie hydrau- licznym powinny być dobrane w taki sposób, aby nie wykazywały wzajemnego, niekorzystnego oddziaływania. Uszczelki powinny być dobrane również zgodnie z zakładanym zakresem tempera- tur pracy. Jak wspomniano wcześniej, punkt anilinowy daje tylko przybliżone informacje o zachowaniu olejów mineralnych wobec elastomerów. Ciecze hydrauliczne o niskich punktach anilinowych mogą powodować pęcznienie, natomiast ciecze o wysokich punk- tach anilinowych powodują skurcz. Jednakże czynnikiem decydu- jącym o intensywności i rodzaju zachodzących zmian jest typ ela- stomeru, z którego są wykonane uszczelnienia. Z tych względów, producenci uszczelnień określają optymalny punkt anilinowy dla swojego wyrobu, na podstawie badań z olejami odniesienia: ASTM 1, 2 i 3, o punktach anilinowych odpowiednio 124°C, 93°C i 60°C. Pomiary te mogą być uzupełniane badaniem twardości i innych mechanicznych właściwości uszczelek. Przyjmuje się, że ciecze hydrauliczne na bazie węglowodorowej są kompatybilne z uszczelnieniami typu: NBR, FPM i AU. 11.5.2 Specjalne metody badań trudnopalnych cieczy hydraulicznych Ciecze hydrauliczne, przeznaczone do stosowania w układach gorących (bloki energetyczne, piece stalownicze, górnictwo), tam gdzie istnieje groźba pożaru w przypadku niekontrolowanego wy- pływu cieczy hydraulicznej do otoczenia, muszą być trudnopalne. Celem sprawdzenia trudnopalności takich cieczy zostały opraco- wane różne specyficzne testy, na przykład: q badanie odporności na zapalanie w strumieniu rozpylonym, pod wysokim ciśnieniem, q badanie odporności na palenie w silniku ze zmiennym stopniem sprężania, q badanie rozprzestrzeniania się ognia, w mieszance złożonej z pyłu węglowego i hydraulicznych cieczy trudnopalnych, q rozpylanie mgły cieczy hydraulicznej na stopiony metal, o tem- peraturze (800°C), wyższej niż temperatura samozapłonu, i oce- nie czasu, po którym nastąpi samozapłon (metoda TUV). Ponadto, dla tego typu cieczy hydraulicznych, sprawdza się tok- syczność w stanie świeżym i po rozkładzie termicznym.

11.6 Klasyfikacja cieczy hydraulicznych

Aktualnie, powszechnie jest stosowana klasyfikacja cieczy hydrau- licznych wg ISO 6743-4:1999 (EN-ISO 6743-4:2001), rodzina H (hydrau- lic systems), w skrócie przedstawiona w tabeli 11. 11.6.1 Mineralne ciecze hydrauliczne Według ISO 6743/4 wyróżnia się następujące klasy jakościowe mi- neralnych cieczy hydraulicznych (olejów hydraulicznych), do układów hydrostatycznych: Mineralne ciecze hydrauliczne HM i HV są powszechnie stosowane w typowych układach hydraulicznych. Ciecze typu HH są czystymi ole- jami mineralnymi, które w wielu przypadkach mogą właściwie spełnić

Rozdział XI: Ciecze do układów hydraulicznych

podstawową rolę cieczy hydraulicznych, to jest przekazywanie energii. Zapewniają one ochronę przeciwkorozyjną i smarowanie w zakresie charakterystycznym dla olejów mineralnych bez dodatków. Nadają się do mało wymagających zastosowań. Wykazują doskonałą odporność na działanie wody. Są zalecane do urządzeń o średnim ciśnieniu oraz wtedy, kiedy dodatki przeciwzużyciowe nie są konieczne. 11.6.2 Inne rodzaje olejów hydraulicznych Jako ciecze hydrauliczne bywają także stosowane inne oleje mine- ralne, na przykład: q oleje mineralne, o bardzo wysokim wskaźniku lepkości i bardzo niskiej temperaturze płynięcia, przeznaczone do zastosowań w ni- skich temperaturach (np. w lotnictwie); odpowiadające normom wojskowym, q oleje silnikowe oraz oleje do przekładni hydrokinetycznych; oleje te posiadają większość właściwości olejów hydraulicznych; są one zalecane przez różnych producentów maszyn budowlanych, rów- nolegle z olejami hydraulicznymi, q oleje hydrauliczne z detergentami; są to oleje odpowiadające kate- gorii HM, lecz z możliwością dyspergowania pewnych ilości wody. 11.6.3 Trudnopalne ciecze hydrauliczne W niektórych zastosowaniach, obecność substancji łatwopalnych lub poddawanych bardzo wysokim temperaturom, może spowodo- wać zapalenie olejów hydraulicznych, na przykład podczas przypad- kowego pęknięcia elastycznego przewodu hydraulicznego i możliwe- go wtedy kontaktu rozlanego oleju z gorącą powierzchnią lub ogniem. W takim przypadku, konieczne jest stosowanie trudnopalnych cieczy hydraulicznych. Ciecze takie zostały opracowane głównie dla potrzeb przemysłu węglowego, metalurgicznego i energetycznego. Znormalizowane wymagania na trudnopalne ciecze hydrauliczne typu HFAE, HFAS, HFB, HFC, HFDR i HFDU są zawarte w normach międzynarodowych: ISO 12 922:1999 + Cor.1:2001 (EN-ISO 12 922: 2001). Zalecenia dotyczące zastosowań tego typu cieczy są podane w normie ISO 7745:1989. W przemysłowych układach hydraulicznych, najczęściej używanymi, trudnopalnymi cieczami hydraulicznymi są: HFC, HFDR i HFDU. Trudnopalne ciecze hydrauliczne mogą nie mieszać się z węglo- wodorowymi lub estrowymi olejami hydraulicznymi. Z tego względu, w przypadku zmiany cieczy hydraulicznej z olejowej na trudnopalną należy posługiwać się specjalnymi zaleceniami, zawartymi w normie ISO 7745:1989. 11.6.4 Biodegradowalne ciecze hydrauliczne Do tej grupy są zaliczane ciecze hydrauliczne w zasadzie nie zawierające wody płyny: HETG, HEPG, HEES, HEPR. Dopuszczalna za- wartość oleju bazowego nie powinna być mniejsza niż 70 %. Ciecze hydraluliczne tego rodzaju sa przeznaczone do urządzeń mobilnych, stosowanych tam, gdzie ochrona środowiska jest szczególnie istotna: rezerwaty, parki narodowe, miejscowości uzdrowiskowe, miejsca w pobliżu wód powierzchniowych itp.

11.7 Czystość cieczy hydraulicznych

11.7.1 Zanieczyszczenia cieczy hydraulicznych Od cieczy hydraulicznych wymaga się czystości odpowiedniej do luzów i ciśnień w układzie hydraulicznym oraz braku zawartości zanieczyszczeń stałych. Zanieczyszczona ciecz hydrauliczna może spowodować wadliwą pracę układu hydraulicznego lub nawet TABELA 11.1 Klasyfikacja olejów przemysłowych wg ISO 6743-4:1999 (EN-ISO 6743-4:2001). Rodzina H (układy hydrauliczne). Symbol ISO Skład i właściwości Zastosowania Układy hydrostatyczne HH Rafinowane nieinhibitowane oleje mineralne HL Rafinowane oleje mineralne z poprawionymi właściwościami przeciwkorozyjnymi i przeciwutleniającymi HM Oleje HL z poprawionymi właściwościami przeciwzużycio wymi - Typowe układy hydrauliczne, które zawierają mocno obciążone elementy HR Oleje HL z poprawionymi właściwościami lepkościowo-tem peraturowymi - HV Oleje HM z poprawionymi właściwościami lepkościowo-tem peraturowymi - Budownictwo i zastosowania morskie HS Ciecze syntetyczne, nie specyfikowane jako trudnopalne Specjalne zastosowania HETG Trójglicerydy Tam gdzie są potrzebne ciecze przyjazne dla środowiska. Do układów hydraulicznych przewoźnych. Minimalna zawartość cieczy bazowej nie powinna być mniejsza niż 70% (m/m). HEPG Poliglikole HEES Syntetyczne estry HEPR PAO i inne produkty węglowodorowe HG Oleje HM z poprawionymi właściwościami zapobiegającymi drganiom ciernym (stick/slip) Systemy hydrauliczne prowadnic, do maszyn z wspólnym systemem smarowania hydrauliki i łożysk, przy występowaniu niewielkich drgań ciernych HFAE Emulsje oleju w wodzie, zawierające ponad 80 % (m/m) wody Zastosowania wymagające cieczy niepalnych HFAS Roztwór związków chemicznych w wodzie, ponad 80 % (m/m) wody HFB Emulsje typu woda w oleju HFC Roztwór polimeru w wodzie, zawierający ponad 35 %(m/m) wody HFDR Ciecze syntetyczne, nie zawierające wody, estry fosforanowe HFDU Ciecze syntetyczne o innym składzie, nie zawierające wody Układy hydrokinetyczne HA Przekładnie automatyczne Klasyfikacje nie są jeszcze dokładnie opisane, mogą być uzupełniane HN Sprzęgła i przemienniki mocy

Rozdział XI: Ciecze do układów hydraulicznych

Charakterystyki filtrowalności cieczy hydraulicznych są oce- niane przy zastosowaniu wielu specyficznych metod. Najczęściej stosowane jest badanie metodą DENISON TP 02 100. Test ten jest przeznaczony również do sprawdzania filtrowalności innych olejów. Charakterystykę filtrowalności ocenia się przez porówny- wanie czasu filtracji 100 ml cieczy hydraulicznej zawierającej wodę (<2%) i jej nie zawierającej, według określonej procedury. Do tego badania stosowany jest filtr membranowy o nominalnej średnicy porów 1,2 μm. Metoda ta najczęściej jest stosowana do oceny świeżych cieczy hydraulicznych, nie nadaje się natomiast do oceny filtrowalności zanieczyszczonych cieczy hydraulicznych pracują- cych w układzie. Do oceny filtrowalności cieczy podczas pracy są stosowane specjalne stanowiska, modelujące warunki pracy cieczy w układzie hydraulicznym. Specjalne stanowisko badawcze, opracowane przez firmę TOTAL, pozwala śledzić zmianę filtrowalności cieczy w obecności różnych zanieczyszczeń: wody i produktów utleniania. Badanie to polega na oszacowaniu w rzeczywistym układzie hydraulicznym o niskim ciśnieniu (do 100 bar), tendencji do tworzenia się sub- stancji nierozpuszczalnych wskutek chemicznej degradacji cieczy hydraulicznej. Zatykanie się filtra o porach 5 μm obserwuje się poprzez pomiar spadku ciśnienia na filtrze.

11.8 Warunki prawidłowej eksploatacji

Układy hydrauliczne wymagają bardzo starannej obsługi; naj- lepsza ciecz hydrauliczna nie da dobrych efektów w źle utrzyma- nym układzie. Szczególne znaczenie mają następujące czynniki: q obecność zanieczyszczeń stałych i wody oraz filtracja, q przegrzewanie, chłodzenie, q zapowietrzanie, q kawitacja, q dobór i montaż uszczelek, q ścinanie. 11.8.1 Nadzór nad filtrami Zanieczyszczenia stałe cieczy hydraulicznych, w szczególności cząstki materiałów twardych, (np. cząstki ścieru lub piasek) są naj- częstszą przyczyną nieprawidłowej pracy i zużywania się układów hydraulicznych. Znaczna część uszkodzeń jest powodowana obec- nością twardych cząstek, takich jak: q pyły atmosferyczne i inne zanieczyszczenia zewnętrzne, q ścier metalowy, powstający w procesach zużywania wewnętrz- nych powierzchni układów hydraulicznych, q produkty korozji i cząsteczki rdzy, q drobiny lakierów itp. Podczas eksploatacji należy uważać, aby nie miało miejsca prze- dostawanie się cząstek zanieczyszczeń do układu, poprzez: q dokładne płukanie przy pierwszym uruchamianiu urządzenia, q zapewnienie środków ostrożności podczas napełniania zbiorni- ka, q konserwację uszczelek, q odpowiednią jakość filtra powietrza w układzie odpowietrzania zbiornika. Małe luzy w mechanizmach hydraulicznych nie dają się pogo- dzić z większą ilością cząstek zanieczyszczeń stałych. Należy więc przedsięwziąć stosowne środki ostrożności. Należy bardzo dokład- nie nadzorować proces filtracji, dbając aby: q wkłady filtrujące były wymieniane zgodnie z okresami przewi- dzianymi dla danego typu układu, q elementy filtrujące nie były uszkadzane podczas operowania nimi, q typ użytkowanego filtra powinien spełniać wymagania sprecy- zowane przez producenta układu hydraulicznego, w zakresie:

βx, ef, oraz dn.

W powszechnie stosowanych układach hydraulicznych maszyn, ciągła filtracja przez filtr o nominalnej dokładności filtrowania 25 μm, jest wymogiem minimalnym. W niektórych precyzyjnych układach hydraulicznych zalecane jest filtrowanie bardziej dokład- ne, na poziomie 10 μm, a w układach precyzyjnych nawet z dokład- nością do 5 lub 1 μm. 11.8.2 Temperatura pracy Temperatura cieczy hydraulicznej w układzie ma istotne znacze- nie dla jej trwałości. Ciecz hydrauliczna starzeje się tym szybciej, im wyższa jest temperatura jej pracy. Nadmiernie wysoka tem- peratura jest również szkodliwa dla innych elementów układu, szczególnie dla materiałów uszczelnień. Ideałem byłoby nie prze- kraczanie temperatury 50°C, ponieważ wtedy starzenie dobrych cieczy hydraulicznych jest powolne. Przyjmuje się, że zwiększenie temperatury pracy cieczy hydraulicznej o każde 10°C, powoduje skrócenie czasu jej pracy o połowę. W niektórych przypadkach, jest konieczne zainstalowanie wymiennika ciepła w celu chłodzenia cieczy hydraulicznej. Najczęstszymi powodami przypadkowego przegrzewania ukła- dów hydraulicznych, są: q niewłaściwie dobrana ciecz hydrauliczna pod względem lep- kości, q źle wyregulowany zawór zwrotny (zbyt duży przepływ), q zanieczyszczona chłodnica, q zanieczyszczenie zbiornika, uniemożliwiające odprowadzanie ciepła przez wypromieniowanie, q zbyt niski poziom cieczy hydraulicznej, q zanieczyszczone lub wygięte przewody, q zużycie pompy hydraulicznej, q przedostanie się powietrza do układu. 11.8.3 Powietrze w układzie hydraulicznym Powietrze w cieczy hydraulicznej może być przyczyną poważ- nych problemów. Najczęstsze powody przedostawania się powie- trza do układów hydraulicznych to: q nieszczelne przewody ssące, q nieszczelna pompa, q zbyt niski poziom cieczy hydraulicznej, q nadmierna turbulencja w zbyt małym zbiorniku, q przewody zwrotne, nie zanurzone w oleju (pienienie). 11.8.4 Uszczelnienia Ciecz hydrauliczna powinna być tak dobrana, aby nie wyka- zywała agresywnego działania wobec materiałów uszczelnień (patrz p. 2.7.2). Wymagania w tym zakresie, będą mniej ostre w przypadku elementów układu pracującego w warunkach statycz- nych, niż dla szczelności elementów pracujących w warunkach dynamicznych. W każdym przypadku, zakłada się, że zmiana objętości materiału uszczelek, przy próbie 72 godzinnej, w tem- peraturze 100°C, nie może przekraczać ±5%. Niektóre specyfika- cje nie dopuszczają żadnych zmian ujemnych, celem uniknięcia ryzyka wystąpienia przecieku. W przypadku konieczności do- boru uszczelnień do określonych cieczy hydraulicznych, należy uwzględniać zasady podane w p. 2.7. Nie wszystkie problemy z uszczelkami mogą być przypisy- wane niewłaściwemu doborowi cieczy hydraulicznej. W prak- tyce, wiele innych czynników może być powodem uszkodzenia uszczelek: q Zbyt wysoka temperatura pracy ciągłej, nie przewidziana dla określonego rodzaju materiałów uszczelnień, zastosowanych w maszynie. Poniżej podano kilka temperatur granicznych, które nie mogą być przekroczone dla znanych typów uszczelek, stosowanych w układach hydraulicznych:

• dla kauczuków poliuretanowych (AU): 80°C,

• dla kauczuków butadienowo-nitrylowych (NBR): 100°C,
• dla kauczuków fluorowych (FPM lub FKM): 120°C. q Niewłaściwy montaż lub uszkodzenie uszczelki podczas mon- tażu. q Zły stan powierzchni w miejscu montażu uszczelki, którego przyczyną może być:
• niewłaściwa obróbka skrawaniem,
• rdza,
• rysy, wypływki,
• ślady uderzeń narzędziami. W przypadku stosowania cieczy trudnopalnych, szczególną uwagę należy zwrócić na uszczelki. Ciecze hydrauliczne typu glikol-woda (typ HFC) nie sprawiają specjalnych problemów, ponieważ są obojętne wobec większości materiałów uszczelnień. Jedynie poliuretany (AU) nie są zalecane. Zalecenia dotyczące doboru materiałów uszczelnień do trudno- palnych cieczy hydraulicznych zostały podane w normie ISO 7745:

1989. Przedstawiono je w tabeli 11.2.

11.9 Dobór cieczy hydraulicznej

11.9.1 Parametry decydujące o doborze Dobierając odpowiedni typ cieczy hydraulicznej, należy uwzględnić: q warunki klimatyczne q temperaturę pracy ciągłej, maksymalnej, temperaturę rozruchu, q warunki pracy, q niebezpieczeństwo pożaru. a także: q możliwość przedostawania się wody do układu, q zastosowanie metali konstrukcyjnych wrażliwych na korozję. 11.9.2 Warunki klimatyczne Temperatura pracy bezpośrednio rzutuje na lepkość (klasę lepkości) dobieranej cieczy hydraulicznej. W przypadku układów hydraulicznych maszyn i pojazdów eksploatowanych w warunkach otoczenia, klasa lepkości cieczy hydraulicznej powinna być do- stosowana do warunków klimatycznych, przy czym za optymalny przedział lepkości cieczy hydraulicznych w temperaturze pracy przyjmuje się wartości od 16 do 36 mm^2 /s. Dobór klasy lepkościowej oleju w zależności od warunków klimatycznych, w których układ hydrauliczny jest eksploatowany przedstawia rys. 11.4. Temperatura płynięcia oleju powinna być co najmniej o 20°C niższa od najniższej temperatury pracy maszyny. Jest to szczegól- nie istotne w przypadku: pojazdów, maszyn samojezdnych i innych urządzeń pracujących na zewnątrz. 11.9.3 Dobór lepkości oraz wskaźnika lepkości Lepkość kinematyczna w temperaturze 40°C, dla normalnej i ustabilizowanej temperatury (między 40°C a 60°C) funkcjono- wania układu hydraulicznego, jest określana przez producenta układu. Producent dobiera lepkość cieczy hydraulicznej tak, aby uzyskać dla instalacji optymalną wydajność, sprawność i trwa- łość. Dobór typu cieczy hydraulicznej będzie zależał również od temperatury rozruchu. Dla różnych cieczy hydraulicznych, o takiej samej lepkości kinematycznej w temperaturze 40°C, lepkość w temperaturach ujemnych może wykazywać znaczne różnice. W przypadkach wątpliwych, należy uzyskać dane dotyczące lepkości cieczy hydraulicznej w przewidywanej, najniższej tem- peraturze użytkowania układu przy rozruchu. Lepkości zalecane przez niektórych producentów układów hydraulicznych, podano w tabeli 11.3. W przypadku dużej rozpiętości temperatur pracy (np. niska temperatura rozruchu i wysoka temperatura ciągłej pracy), należy dobrać olej o wysokim wskaźniku lepkości, powyżej 105. Dla układów hydraulicznych, pracujących w pomieszczeniach ogrzewanych, generalnie można stosować ciecze o naturalnym wskaźniku lepkości na poziomie 95…105, poza szczególnymi przypadkami urządzeń o bardzo dużej dokładności, dla których producent wy- maga cieczy hydraulicznej, o wyższym wskaźniku lepkości. 11.9.4 Warunki pracy Warunki pracy oraz używany sprzęt narzucają typ stosowanej cieczy hydraulicznej, na przykład: q konstruktor pompy określa, czy wymaga do- brych właściwości przeciwzużyciowych (typ HM), czy też dopuszcza stosowanie cieczy hy- draulicznej bez dodatków przeciwzużyciowych (typ HL), q obecność metali bardzo wrażliwych na korozję, takich jak srebro lub miedź i jej stopy, może wykluczyć stosowanie niektórych dodatków, q znaczna i stała obecność wody jest powodem wymagania od cieczy hydraulicznej dosko- nałych właściwościach przeciwrdzewnych, odporności na emulgowanie oraz dobrej sta- bilności hydrolitycznej. Tabela 11.2 Zalecenia dotyczące doboru materiałów uszczelnień do trudnopalnych cieczy hydraulicznych wg ISO 7745: Rodzaj hydraulicznej cieczy trudnopalnej Zalecane rodzaje elastomerów (patrz p.2.7) HFAE NBR, FPM HFB NBR, FPM HFC NBR, SBR, EPDM, IIR, NR HFDR FPM, EPDM, IIR HFDS FPM HFDT FPM HFDU Niezbędne testy kompatybilności Rys. 11.4 Dobór klasy lepkościowej cieczy hydraulicznej do warunków klimatycznych pracy maszyny A – ekstremalne warunki tropikalne, ciężkie warunki pracy, B – ekstremalne warunki tropikalne, C – wa- runki tropikalne, D – warunki letnie klimatu umiarkowanego, E – warunki zimowe klimatu umiarkowane- go, F – warunki arktyczne, G – ekstremalne warunki arktyczne, H – ekstremalne warunki arktyczne, długie przestoje maszyny OPT – optymalny zakres lepkości cieczy hydraulicznej

q lepkość kinematyczną, q zawartość wody, q liczbę kwasową, q produkty procesów zużycia metali, q stan czystości wg ISO 4406 lub NAS 1638. W szczególnych przypadkach jest kontrolowana także zawar- tość niektórych dodatków. Lepkość kinematyczna. Pomiar lepkości kinematycznej wy- konuje się w temperaturze 40°C, metodami podanymi w p. 4.2.2. Jeżeli należy określić wskaźnik lepkości, to pomiar wykonuje się także w temperaturze 100°C, a określenie tego parametru należy wykonać zgodnie z zasadami podanymi w p. 4.2.4. Zwiększenie lepkości może wynikać: q ze zmieszania z innym, nieodpowiednim olejem – bardziej lep- kim (uzupełnianie lub przeciek oleju smarującego do układu), q z utleniania oleju (należy potwierdzić to innymi badaniami), q z odparowania wody (w przypadku cieczy trudnopalnych typu HFC). Zmniejszenie lepkości może być skutkiem: q zmieszania z nieodpowiednim olejem, o mniejszej lepkości

• bardziej płynnym, q ścinania, q płukania lub czyszczenia rozpuszczalnikiem. Dopuszczalne zmiany lepkości kinematycznej w temperaturze 40°C, wynoszą ±10%. Zawartość wody. Zawartość wody w klasycznych płynach hy- draulicznych powinna utrzymywać się poniżej 0,1%. Powyżej tej wartości, niezbędne jest poszukanie przyczyn i zapobieganie im. Liczba kwasowa (TAN) powinna być oznaczana metodami przedstawionymi w p. 4.10.3. W przypadku oleju mineralnego, czystego lub z małą ilością dodatków uszlachetniających (z początkową liczbą kwasową na poziomie zbliżonym do 0 mg KOH/g), zmiana liczby kwasowej może być spowodowana tylko utlenianiem oleju (z wyjątkiem szczególnych przypadków zanieczyszczenia) i nie powinna ona być większa niż 0,5 mgKOH/g. W przypadku świeżego oleju hydraulicznego zawierającego dodatki o charakterze kwaśnym, początkowo może występować zmniejszenie liczby kwasowej, powodowane stopniowym zuży- waniem dodatków, a następnie wzrost powodowany utlenianiem. W tym przypadku, można zaobserwować przejście liczby kwasowej przez minimum. Produkty procesów zużycia metali. Metody instrumentalne (patrz p. 4.21) pozwalają określić obecność cząsteczek metali w cie- czy hydraulicznej. Badania te umożliwiają dokonanie oceny stanu technicznego elementów układu hydraulicznego oraz poszukiwa- nie ewentualnych przyczyn nadmiernego zużycia. q Spektrometria atomowa (emisyjna lub absorbcyjna) pozwala na określenie zawartości metali w cieczy hydraulicznej. Najczęściej mierzy się zawartość tych metali, z których jest wykonany układ hydrauliczny lub jego najwrażliwsze elementy np.: żelaza, mie- dzi, glinu, itd. q Ferrografia, jest to technika uzupełniająca, która pozwala okre- ślać zużycie części w zależności od liczby cząstek ścieru stalowe- go w próbce cieczy hydraulicznej. Stan czystości cieczy hydraulicznej jest oceniany poprzez pomiar zawartości zanieczyszczeń stałych (patrz p. 4.22.3) oraz ustalenie klasy czystości wg NAS 1638 lub poziomu czystości wg ISO 4406 (patrz p. 4.22.6). Mogą być używane różne metody po- miaru i oceny stanu czystości cieczy hydraulicznej. Najczęściej są stosowane metody polowe, pozwalające na ocenę stanu czystości cieczy hydraulicznej bezpośrednio w próbce pobranej z układu. Konieczne jest przestrzeganie znormalizowanego sposobu pobie- rania próbek. Pomimo stosowania różnych środków ostrożności, ciecz może ulec zanieczyszczeniu cząstkami stałymi z różnych źródeł. W celu zagwarantowania wymaganej czystości cieczy hydraulicz- nej, w niektórych typach precyzyjnych układów hydraulicznych, może być konieczne kontrolowanie cieczy pod względem zawar- tości zanieczyszczeń stałych. Przy tego typu kontroli, procedura pobierania próbek nabiera jeszcze większego znaczenia niż przy pozostałych badaniach. Producent układu hydraulicznego zazwyczaj definiuje jaką czystość powinna mieć ciecz hydrauliczna w układzie, podając klasę czystości wg NAS 1638 albo poziom czystości wg ISO 4406. Wymagana czystość cieczy hydraulicznej zależy od konstrukcji układu hydraulicznego oraz maksymalnego ciśnienia w układzie, co zasygnalizowano w p. 4.22. W przypadku braku takich danych, do oceny czy ciecz hydrauliczna ma czystość wymaganą dla da- nego układu hydraulicznego, można posłużyć się przybliżonymi danymi, odczytanymi z wykresu (rys. 4.97).