Většina čtenářů této rubriky dobře ví, že viskozita hydraulické kapaliny na bázi uhlovodíků je nepřímo úměrná teplotě. S rostoucí teplotou viskozita kapaliny klesá a naopak. Tato situace není ideální z několika důvodů. Ve skutečnosti by ideální hydraulická kapalina měla viskozitní index (změna viskozity kapaliny v závislosti na teplotě) znázorněný vodorovnou přímkou protínající osu Y v bodě 25 centiStokes.

Tato teplotní viskozita ukazuje, že ideální hydraulická kapalina by nevykazovala žádné změny viskozity bez ohledu na teplotu.

Naneštěstí žádná taková kapalina pro účinnost a dlouhou životnost hydraulických strojů neexistuje. A je nepravděpodobné, že by taková kapalina byla vyvinuta ještě za mého života. Pokud by však taková kapalina byla vyvinuta a patentována, její tvůrce by měl v ruce klíč ke zlatému dolu. Zatím máme k dispozici vícestupňový hydraulický olej. Tyto kapaliny mají vysoký viskozitní index, takže jejich viskozita je méně citlivá na změny teploty než u jednosložkových olejů.

Nezamýšlené důsledky

Viskozita kapaliny je jedním z faktorů, které určují, zda se dosáhne a udrží mazání plným filmem. Pokud zatížení a rychlost povrchu zůstávají konstantní, ale zvýšená provozní teplota způsobí pokles viskozity pod hodnotu potřebnou k udržení hydrodynamického filmu, dochází k meznímu mazání; tím vzniká možnost tření a adhezního opotřebení.

Na druhé straně existuje rozsah viskozity, ve kterém jsou tření kapaliny, mechanické tření a objemové ztráty optimální pro výkon hydraulického systému. Jedná se o rozsah viskozity, ve kterém bude hydraulický systém pracovat nejefektivněji: nejvyšší poměr výstupního a vstupního výkonu.

Pro ilustraci výše uvedeného bodu uvažujme tento příklad: Ve snaze zlepšit spotřebu paliva nahradil výrobce mobilního hydraulického stroje poháněného motorem čerpadlo s pevným objemem, které pohání přídavné zařízení stroje, jednotkou s proměnným objemem. Pozemní pohon stroje již používal pístové čerpadlo s proměnným objemem (hydrostatický převod), takže modernizace hydraulického okruhu přídavného zařízení na účinnější konfiguraci se konstruktérům stroje zdála logickým postupem.

Když byla tato úprava testována, byli konstruktéři šokováni zjištěním, že spotřeba paliva se ve skutečnosti zvýšila o 12 až 15 %! Po analýze bylo zvýšení spotřeby paliva přičteno zvýšení viskozity oleje, které bylo způsobeno poklesem provozní teploty oleje o 30 °C. Jinými slovy, „hustší“ olej měl za následek dodatečný odpor hydrostatické převodovky pohánějící pozemní pohon, což způsobilo, že stroj spotřeboval více paliva.

Stroj používal dvoudílný kombinovaný výměník tepla pro hydraulický olej i chladicí kapalinu motoru. Chlazení motoru zlepšoval termostatem řízený pohon hydraulického ventilátoru v závislosti na teplotě chladicí kapaliny motoru. Sekce chladiče oleje byla dimenzována pro původní hydraulické čerpadlo s pevným výtlakem.

Nevýhodou tohoto uspořádání je, že vzhledem k tomu, že chlazení motoru je řízeno termostatem a hydraulický systém nikoli, závisí průtok vzduchu kombinovaným výměníkem tepla zcela na teplotě motoru. To znamená, že snížení tepelného zatížení v důsledku nahrazení čerpadla s pevným výtlakem jednotkou s proměnným výtlakem vedlo k výraznému snížení teploty hydraulického oleje – což je obvykle dobrá věc!

Inženýři zablokovali většinu části chladiče hydraulického oleje a provedli test znovu. Tím se spotřeba paliva vrátila na původní úroveň, ale žádné výrazné zlepšení nebylo zaznamenáno.

Dospěli k závěru, že testovaná úprava by mohla přinést malou úsporu nákladů s ohledem na zmenšení velikosti chladiče oleje. Ale vzhledem k tomu, že spotřeba paliva je důležitější než jakákoli skromná úspora chladicího výkonu, byla myšlenka zaplatit více za čerpadlo, jehož výsledkem bylo udržování nižší provozní teploty oleje – ale zvýšená spotřeba paliva – pro konstruktéry stroje nepřijatelná.

Poučení

Tento příběh ilustruje, jaký vliv může mít teplota hydraulického oleje (a tedy viskozita) na spotřebu paliva. Shrňme klíčové body:

• Tepelné zatížení hydraulického systému bylo sníženo (účinnost zvýšena) nahrazením pevného čerpadla jednotkou s proměnným objemem;
• To vedlo k výraznému poklesu provozní teploty hydraulického oleje;
• Výsledné zvýšení viskozity hydraulického oleje zvýšilo spotřebu paliva o významnou částku.

Jinými slovy, pokud je váš hydraulický olej příliš hustý, zaplatíte za to u palivového čerpadla nebo elektroměru. Varovnou odvrácenou stranou tohoto tvrzení však je, že pokud je váš olej příliš řídký, zaplatíte za to v opravně.

Předpokládáme-li, že tento pokus byl proveden při stejné okolní teplotě pro obě varianty čerpadla, je pokles teploty hydraulického oleje o 30 °C (54 °C) poměrně pozoruhodný. To lze částečně vysvětlit kombinovaným výměníkem tepla instalovaným na stroji. Se zvyšující se viskozitou hydraulického oleje pracuje motor intenzivněji (spaluje více paliva), takže chladicí ventilátor (řízený teplotou motoru) pracuje intenzivněji. To znamená, že se z hydraulického oleje odvádí více tepla, a proto se viskozita hydraulického oleje dále zvyšuje. Je to viskózní kruh.

Dalším poznatkem z tohoto příběhu – který se týká konstruktérů strojů a lidí, kteří si jejich stroje kupují – je, že většina konstruktérů nepřistupuje k oleji jako ke klíčové součásti hydraulického systému, kterou je. Viskozita hydraulického oleje, viskozitní index nebo optimální viskozitní číslo pro hydraulické komponenty v systému zřejmě nebyly při zkoušce brány v úvahu. To naznačuje, že základní, normální spotřeba paliva stroje byla jen šťastnou náhodou.

I po zjištění, že spotřeba paliva stoupá s viskozitou oleje, a přestože byla připuštěna a zvažována možnost snížení instalovaného chladicího výkonu, zřejmě se neuvažovalo o změně viskozity oleje, která by odpovídala vyšší účinnosti (tedy nižší provozní teplotě) systému. Kdyby bylo účinnější čerpadlo se stávajícím chladicím výkonem sladěno s kapalinou vhodné viskozity, je pravděpodobné, že úspora paliva stroje by byla vyšší než u původního systému.

Jinými slovy, konstruktéři stroje řádně nezvážili všechny čtyři strany toho, co nazývám Diamant výkonové účinnosti hydraulického stroje.

Diamant výkonové účinnosti

Výkonová účinnost znamená poměr výkonu ven a výkonu dovnitř. Devadesát kW ven ze 100 kW dovnitř je účinnost 90 %. Devadesát kW ven ze 110 kW dovnitř je účinnost 82 %. A 90 kW ven ze 120 kW dovnitř je účinnost 75 %. Všimněte si, že ve všech třech případech zůstává výstupní výkon stejný: 90 kW. Jen příkon – tedy spotřeba paliva nebo elektřiny hlavního pohonu potřebná k jeho získání – stále roste!“

Kvadranty diagramu účinnosti výkonu hydraulického stroje jsou vzájemně propojeny. Změna kteréhokoli z nich ovlivní symetrii diamantu.

Čtyři strany Diamantu výkonové účinnosti hydraulického stroje jsou všechny vzájemně propojeny; změňte kteroukoli z nich a ovlivníte symetrii diamantu.

Navržená účinnost odráží „přirozenou“ účinnost hardwaru vybraného pro systém. Tento hardware zahrnuje počet přítomných zařízení spotřebovávajících energii, jako jsou proporcionální ventily, regulátory průtoku a redukční ventily. Zahrnuje také ztráty „navržené“ rozměry a konfigurací všech nezbytných vodičů: potrubí, hadic, armatur a rozdělovačů.

Na opačné straně kosočtverce by měl instalovaný chladicí výkon v procentech trvalého příkonu odrážet navrženou nebo přirozenou účinnost hydraulického systému. Jinými slovy, čím nižší je přirozená účinnost, tím větší je instalovaný chladicí výkon.

Sousední položkou instalovaného chladicího výkonu je teplota okolního vzduchu, při které hydraulický stroj pracuje. Ta přímo ovlivňuje provozní teplotu oleje hydraulického systému, která do značné míry určuje viskozitu oleje, čímž se doplňuje diamant výkonové účinnosti.

Konstruktér stroje nemá vliv na teplotu okolního vzduchu – i když musí vědět, jaký je tento rozsah. Má však (nebo by alespoň měla mít) možnost určit další tři proměnné: konstrukční účinnost, instalovaný chladicí výkon a viskozitu oleje. Jak ilustruje obrázkové znázornění diamantu výkonové účinnosti (a jak ukazuje výše uvedená případová studie), žádnou z těchto proměnných nelze posuzovat izolovaně.

Podíváme-li se na diamant výkonové účinnosti z pohledu majitele stroje, je užitečné si uvědomit, že i poté, co byl stroj navržen, postaven a naplněn olejem, jsou návrhová účinnost, instalovaný chladicí výkon a teplota okolního vzduchu pohyblivé cíle – pohyblivé cíle, které ovlivňují provozní viskozitu oleje, a tím i spotřebu energie.

Možnost kolísání teploty okolního vzduchu, zejména pokud je stroj přemísťován mezi místy s různými klimatickými podmínkami, je poměrně zřejmá. A přestože se konstrukční účinnost nemění, skutečná provozní účinnost se časem obvykle zhoršuje v důsledku opotřebení. Podobně, i když se instalovaný chladicí výkon v čase nemění jako procento příkonu, jeho účinnost může být snížena opotřebením součástí chladicího okruhu a – v případě vzduchových výměníků tepla – změnou teploty okolního vzduchu a nadmořské výšky.

Takže dostat hydraulický stroj do jeho výkonové účinnosti „sweet spot“ vyžaduje informovaný návrh. Udržet ho tam vyžaduje, aby se změny závislých proměnných omezily na minimum. V obou případech může být Diamant výkonové účinnosti nápomocen konstruktérům strojů i majitelům hydraulických zařízení při pochopení daného úkolu.

Brendan Casey má více než 26 let zkušeností v oblasti údržby, oprav a generálních oprav mobilních a průmyslových hydraulických zařízení. Další informace o snižování provozních nákladů a zvyšování provozuschopnosti hydraulických zařízení naleznete na jeho webových stránkách www.HydraulicSupermarket.com.

.