Hidraulikus munkafolyadékok II. - A hidraulikus munkafolyadékok alapvető tulajdonságai

Szakcikkek - 2010-03-02 20:35:44 nyomtatás cikk nyomtatása



A hidraulikus munkafolyadékok elsődleges feladata az energiaátvitel, ami erőközvetítésből és a berendezés által determinált sebességű mozgás átviteléből tevődik össze. A hidraulikus rendszer működése során lejátszódó fizikai folyamatokra alapvető hatással van a munkafolyadék viszkozitása és összenyomhatósága. A rendszer üzemi jellemzőinek optimalizálása ezen tulajdonságok ismeretében, a működés során bekövetkező változások figyelembevételével lehetséges.

Viszkozitás

A munkafolyadéknak hozzá kell járulnia a rendszer biztonságos üzeméhez hidegindításkor, üzemi hőmérsékleten és az esetleges túlterhelések során jelentkező hőmérséklet-emelkedés esetén is. Az 1. ábra a hidraulikus rendszer hatásfokának (η) változását mutatja a munkafolyadék kinematikai viszkozitásának (ν) függvényében. Gazdaságos üzemeltetés a hatások maximumának környezetében, az ú.n. üzemi tartományban lehetséges. A munkafolyadékot tehát úgy kell megválasztani, hogy az üzemi hőmérséklethez tartozó viszkozitása a maximális hatásfokot biztosító viszkozitás közelében legyen.

Ahhoz, hogy a berendezést minimális működés-korlátozással rövid idő alatt el lehessen indítani, az olajnak kellően kis startviszkozitással (νstart) kell rendelkeznie az indítási hőmérsékleten. A hidraulikus munkafolyadékok megengedhető legnagyobb startviszkozitása 800-1000 mm2/s.
Az üzemi tartomány teljes üzemképességű munkafolyadékot igényel. Az üzemi tartomány határain a hidraulikus berendezés hatásfok csökkenése nem nagyobb, mint a maximális hatásfok 2-3%-a. Ezért a munkafolyadék viszkozitása a νüzemi=16-36 mm2/s határok között változhat az elérhető maximális hatásfok biztosítása érdekében. A megadott határokon belül a konkrét berendezés jellemzői határozzák meg a maximális hatásfokot biztosító viszkozitás értékét.
Magas hőmérsékleten a viszkozitás csökken, a növekvő mértékű vegyes súrlódás és a résveszteségek növekedése korlátozza az elérhető hatásfok értéket. Tapasztalati alapon a hidraulikus munkafolyadékok limitált legkisebb viszkozitása (νmin), amely csak rövid ideig megengedhető túlterhelésnél léphet fel: νmin=10-25 mm2/s, a berendezés függvényében. Amennyiben a viszkozitás ezen határ alá csökken, az elmozduló felületek között nem alakul ki megfelelő kenőfilm, a berendezés kopása jelentősen felgyorsul.
A nem megfelelő viszkozitás az alábbi veszteségeket, működési zavarokat idézi elő:
• A nagyobb viszkozitású olaj nagyobb súrlódási, áramlási ellenállást eredményez, ezáltal rontja a hidromechanikai hatásfokot. A vezérlő elemek működési sebessége csökken, amiből funkcionális zavarok is adódhatnak. A szívóágban töltési veszteségek keletkeznek és ezáltal kavitációs károk adódnak. Fokozottan veszélyes helyzet alakulhat ki a szívóágba épített szűrő esetén.
• A kisebb viszkozitás nagyobb részveszteségeket eredményez, ez rontja a volumetrikus hatásfokot, a berendezés nem tud megfelelő teljesítményt leadni. A tömítések mentén az olaj szivárogni fog. Csökken a kenőfilm vastagsága és a vékony film nagyobb kopási hajlamot idéz elő a csapágyakban.

A felhasználás során nagy mechanikai igénybevétel esetén a hidraulikaolajok viszkozitása kis mértékben csökkenhet az olaj lenyíródása következtében. A hosszú távú biztonságos működés szempontjából az az olaj kedvezőbb, amelynek a viszkozitása a felhasználás során csak kis mértékben változik.

A viszkozitás és a hőmérséklet összefüggései

A hidraulikus munkafolyadékok viszkozitás-hőmérséklet tulajdonságát az olaj viszkozitási indexével (VI) jellemezzük. A nagyobb viszkozitási indexű olajok szélesebb munka- és hőmérsékleti tartományban alkalmazhatók a megfelelő hatásfok, startviszkozitás és üzembiztonság mellett. A hidraulikus folyadék megkívánt VI-ét a működési hőmérséklet-tartományból határozhatjuk meg.

Látható, hogy a munkafolyadékok VI-ének javításával a munkaterület jelentősen, az optimális működési tartomány azonban csak kevésbé növelhető. Ez az előny hideg oldalon is jelentkezik, mert a magasabb viszkozitási indexű olajnak kedvezőbb a startviszkozitása.
A magas viszkozitási indexű (VI > 140) olajokat "többfokozatú" hidraulikaolajnak is nevezik, mert kedvező folyási tulajdonságaikból adódóan az ábrán látható előnyöket biztosítják a felhasználóknak.

A megnövelt viszkozitási indexű ISO VG 46-os olaj hideg oldali tulajdonságai a szokásos viszkozitási indexű ISO VG 32-es, meleg oldali tulajdonságai pedig a szokásos viszkozitási indexű ISO VG 68-as olajjal egyezik meg. Tehát a szezonális téli-nyári környezeti hőmérséklettől függő viszkozitási fokozat alkalmazása helyett egy emelt viszkozitási indexű termék használata praktikusabb.

Ez a megállapítás elsősorban a szabadban működő berendezésekre vonatkozik. A télen fűtött helységekben elhelyezett berendezéseknél az emelt viszkozitási indexű munkafolyadék használata csak akkor indokolt, ha a hidraulikus kör különböző helyein lényegesen eltérő hőmérsékletek alakulnak ki.

Felhasználás közben azonban a magas VI-ű hidraulikaolajok viszkozitás-csökkenésével kell számolni a lenyíródás következtében. Ennek meghatározására alkalmazzuk a nyírásstabilitási indexet, melyet SSI-vel jelölünk. Az így megadott %-os viszkozitás változás adott hőmérsékleten az alábbi összefüggéssel határozható meg:






ahol:
ν - viszkozitás a nyírás előtt [mm2/s]
ν* - viszkozitás nyírás után [mm2/s]
ν0 - az alapolaj viszkozitása [mm2/s]

Viszkozitás-nyomás kapcsolat

A viszkozitást normál nyomáson (atmoszférikus nyomás) mérik. A nyomás növelése a viszkozitás emelkedéséhez vezet (200 bar-tól kell vele számolni, 400 bar-nál a viszkozitás már megduplázódik), amit feltétlenül számításba kell venni. A viszkozitás-növekedést a nyomás függvényében az alábbi összefüggéssel lehet a gyakorlat számára kielégítő pontossággal meghatározni:





ahol
ηP - dinamikai viszkozitás adott nyomáson
η0 - a dinamikai viszkozitás normál légköri nyomáson (1 bar)
p - nyomás [bar]
k - viszkozitás-nyomás kitevő [bar-1]

Összenyomhatóság

A folyadékok a szilárd anyagokhoz hasonlóan nyomás hatására változtatják térfogatukat. Ezt a jelenséget nagy nyomások esetén a hidraulikus rendszerben alkalmazott elemek (útváltók, szivattyúk, motorok) konstrukciós kialakításával is figyelembe kell venni. Valamely hidraulikus részegység túlterhelése tehát nem csupán biztonságtechnikai kérdéseket vet fel. A túlzott mechanikai igénybevétel önmagában is a rendszerelem gyors elhasználódását eredményezi, ezen túlmenően az áramló hidraulikus munkafolyadék rugalmas térfogatváltozásaiból eredő nagy sebességek eróziós károkat okoznak.

A kis viszkozitású munkafolyadékok - akár a folyadék természetéből adódóan, akár a magas hőmérsékletből eredően alacsony viszkozitás - magasabb kompresszibilitási faktorral rendelkeznek, a berendezések lágyabban működnek. A nagyobb olajtérfogatok, vezetékek, oldatlan (távozó) gázok tovább csökkentik a berendezés "merevségét". A kérdést, hogy a hidraulikai berendezés merev vagy lágy, kíméletes, esetleg rezgésekre hajlamos - a levegőelváló-képesség (LAV) kivételével - általában nem az ásványolaj fizikai tulajdonságait határozzák meg. A munkafolyadék nem megfelelő levegőelváló-képessége miatt bennmaradó levegőbuborékok összenyomhatóságuk révén jelentősen megváltoztatják a hidraulikus berendezés dinamikus jellemzőit, csökkentik a rendszer merevségét. A berendezés rugalmasságát figyelembe kell venni, szükség esetén meg kell tenni a megfelelő konstrukciós intézkedéseket a lengések, rázkódások elkerülése érdekében.
A hidraulikus munkafolyadékot jellemző kompresszibilitási tényező:






ahol:
V - eredeti térfogat [m3]
ΔV - térfogatváltozás [m3]
Δp - nyomásváltozás [bar]

A berendezés egészére vonatkozó kompresszibilitás értéke nagyságrendekkel is kisebb lehet az imént megadott tartománynál. Nyomásnövekedés hatására a csővezetékek átmérője és hossza rugalmasan növekedik, ami lágyabbá teszi a berendezés működését.

Hővezetés és hőtágulás

A hidraulikai rendszerbe betáplált energiát mechanikai munka és hőenergia (veszteség) formájában nyerjük vissza. A cél az, hogy a bevitt energia minél nagyobb arányban munkává alakuljon. Egy rendszerben minden elem, amely a folyadék útját akadályozza, potenciális energiaveszteséget jelent. Ezért kerülni kell minden felesleges elem rendszerbe építését. A helyi túlmelegedések elkerülése érdekében a veszteséghőt a keletkezés helyéről a tartályokhoz, hőcserélőkhöz kell vezetni.
A veszteséghő elvezetése a hidraulikai munkafolyadék feladata. A hidraulikaolaj tartály falai és egyéb szerkezeti elemek felületei sok esetben elegendőek a keletkezett hőenergia leadására, míg más esetekben - elsősorban meleg üzemű berendezéseknél - szükség lehet hűtőberendezés üzembe helyezésére.
Különösen nagy töltetek esetén kell gondolni a folyadék hőtágulására. A hőmérséklet-emelkedés okozta térfogat-növekedés:





ahol:
V - az olajtöltet eredeti térfogata felmelegedés előtt [m3]
ΔT - az olajtöltet hőmérséklet-növekedése [K]
Az olajtöltet és a rendszer túlmelegedése nemcsak a hidraulikus berendezés működésére van kedvezőtlen hatással, hanem a munkafolyadék gyorsabb elhasználódását is elősegíti. Az ásványolaj bázisú hidraulikus folyadékok ajánlott üzemi hőfokai:
• Bejáratás alatt: 30-50 C-kal nagyobb a környezeti hőfoknál
• Tartós üzemben: 70-90 C alatt (olajtípustól függően)
• Rövid ideig: kevéssel 80 C illetve 100 C felett (olajtípustól függően)

Schäffer Balázs tanulmánya alapján
Konzulens: Dr. Balpataki Antal


A Szakcikkek rovat további cikkei:

Útrehabilitáció hidegmaró alkalmazásával IV.
Építőgépeken alkalmazott újszerű vezérlési módok XI.
Útrehabilitáció hidegmaró alkalmazásával III.
Földmunkagépek minőségi vizsgálata I.
Építőgépeken alkalmazott újszerű vezérlési módok X.



A gépnet.hu legfrissebb hírei:

Az SSAB öt új termékcsaládot vezet be az egyedi ügyféligények kielégítésére
Strenx acél: magasság határok nélkül
Melior Laser: beszállítói pozíció új iparágakban
Laser Plus: acél, ami tökéletes simaságot garantál
Ruukki Laser Plus – tökéletes sima felület a lézervágás után



Legolvasottabb a gépneten:

BOSCH DLE 50 digitális lézeres távolságmérő TESZT!
Új anyagtípus: bórral ötvözött acél
Prémium termékek és szolgáltatások prémium vevőknek
„Az év gépe 2010” választás nyertesei
Geotermikus hőerőmű Iklódbördöcén