Oleje.doc

Praca pochodzi z serwisu www.e-sciagi.pl

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

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.

Najczęś...