De fleste læsere af denne klumme ved godt, at viskositeten af en kulbrintebaseret hydraulisk væske er omvendt proportional med temperaturen. Når temperaturen stiger, falder væskens viskositet og omvendt. Dette er ikke en ideel situation af flere grunde. Faktisk ville den ideelle hydraulikvæske have et viskositetsindeks (ændringen i en væskes viskositet i forhold til temperaturen) repræsenteret ved en vandret linje, der skærer Y-aksen ved 25 centiStokes.

Denne temperatur-viskositet viser, at en ideel hydraulikvæske ikke ville udvise nogen ændring i viskositet uanset temperaturen.

Der findes desværre ikke en sådan væske med hensyn til hydraulisk maskines effektivitet og levetid. Og det er usandsynligt, at en sådan væske vil blive udviklet i min levetid. Men hvis en sådan væske blev udviklet og patenteret, ville dens ophavsmand have nøglen til en guldmine. Indtil videre har vi hydraulisk olie af forskellig kvalitet. Disse væsker har et højt viskositetsindeks, så deres viskositet er mindre følsom over for temperaturændringer end en monoklassificeret olie.

Uforudsete konsekvenser

Væskeviskositeten er en af de faktorer, der bestemmer, om der opnås og opretholdes fuldfilmssmøring. Hvis belastning og overfladehastighed forbliver konstant, men en forhøjet driftstemperatur medfører, at viskositeten falder til under det niveau, der kræves for at opretholde en hydrodynamisk film, opstår der grænsesmøring; dette skaber skaber skabe mulighed for friktion og klæbeslid.

På den anden side er der et viskositetsområde, hvor væskefriktion, mekanisk friktion og volumetrisk tab er optimale for hydrauliksystemets ydeevne. Dette er det viskositetsområde, hvor det hydrauliske system vil fungere mest effektivt: det højeste forhold mellem udgangseffekt og indgangseffekt.

For at illustrere ovenstående punkt kan man se på dette eksempel: I jagten på at forbedre brændstofforbruget erstattede producenten af en motordreven, mobil hydraulisk maskine sin pumpe med fast fortrængning, der drev maskinens redskab, med en enhed med variabel fortrængning. Maskinens jorddrev anvendte i forvejen en stempelpumpe med variabel forskydning (hydrostatisk transmission), så det virkede logisk for maskinens konstruktører at opgradere redskabets hydrauliske kredsløb til en mere effektiv konfiguration.

Da denne ændring blev afprøvet, blev teknikerne chokerede over at konstatere, at brændstofforbruget faktisk var steget med 12 til 15%! Efter en analyse blev stigningen i brændstofforbruget tilskrevet en stigning i olieviskositeten som følge af et fald på 30 °C i driftstemperaturen for olien. Med andre ord havde den “tykkere” olie resulteret i ekstra modstand på den hydrostatiske transmission, der driver jordkørslen, hvilket fik maskinen til at bruge mere brændstof.

Maskinen anvendte en kombineret varmeveksler med to sektioner til både hydraulikolie og motorkølevæske. Motorens køling blev forbedret ved hjælp af et termostatisk styret hydraulisk ventilatordrev baseret på motorens kølevæsketemperatur. Oliekølersektionen var dimensioneret til den oprindelige hydrauliske pumpe med fast forskydning.

Ulempen ved dette arrangement er, at luftstrømmen gennem den kombinerede varmeveksler udelukkende afhænger af motortemperaturen, fordi motorkøling er termostatisk styret, mens hydrauliksystemet ikke er det, og derfor afhænger luftstrømmen gennem den kombinerede varmeveksler udelukkende af motortemperaturen. Det betyder, at den reducerede varmebelastning som følge af udskiftningen af pumpen med fast forskydning med en enhed med variabel forskydning resulterede i et betydeligt fald i hydraulikoliens temperatur – hvilket normalt er en god ting!

Ingeniørerne spærrede det meste af hydraulikoliedelen af køleren og gennemførte testen igen. Dette bragte brændstofforbruget tilbage til det oprindelige niveau, men der blev ikke set nogen væsentlig forbedring.

Det blev konkluderet, at den afprøvede ændring kunne medføre en lille omkostningsbesparelse med hensyn til en reduktion af oliekølerens størrelse. Men da brændstofforbruget var vigtigere end en beskeden besparelse i kølekapacitet, var tanken om at betale mere for en pumpe, der resulterede i, at olien blev holdt på en lavere driftstemperatur – men med et øget brændstofforbrug – uforenelig for maskinens ingeniører.

Lærdom

Denne historie illustrerer den indflydelse, som hydraulikolietemperaturen (og dermed viskositeten) kan have på brændstofforbruget. For at opsummere de vigtigste punkter:

• Varmebelastningen af hydrauliksystemet blev reduceret (effektiviteten blev øget) ved at udskifte en fast pumpe med en enhed med variabel forskydning;
• Dette resulterede i et betydeligt fald i driftstemperaturen for hydraulikolie;
• Den deraf følgende stigning i hydraulikoliens viskositet øgede brændstofforbruget med en betydelig mængde.

Med andre ord, hvis din hydraulikolie er for tyk, kommer du til at betale for det ved brændstofpumpen eller elmåleren. Den forsigtige bagside af dette er dog, at hvis din olie er for tynd, betaler du for det på værkstedet.

Hvis man antager, at dette forsøg blev udført ved samme omgivelsestemperatur for begge pumpemuligheder, er et fald på 30° C (54° F) i hydraulikolietemperaturen ganske bemærkelsesværdigt. Dette kan til dels forklares med den kombinerede varmeveksler, der er installeret på maskinen. Når hydraulikoliens viskositet stiger, arbejder motoren hårdere (forbrænder mere brændstof), så køleblæseren (som styres af motortemperaturen) kører hårdere. Det betyder, at der afgives mere varme fra hydraulikolien, og at hydraulikoliens viskositet derfor stiger yderligere. Det er en tyktflydende cirkel.

En anden pointe i denne historie – som er relevant for maskinkonstruktører og de mennesker, der køber deres maskiner – er, at de fleste konstruktører ikke behandler olien som den nøglekomponent i det hydrauliske system, som den er. Hydraulikoliens viskositet, viskositetsindeks eller det optimale viskositetstal for de hydrauliske komponenter i systemet blev tilsyneladende ikke overvejet under testen. Dette tyder på, at maskinens normale brændstofforbrug i udgangspunktet blot var et lykkeligt tilfælde.

Selv efter at have opdaget, at brændstofforbruget stiger med olieviskositeten, og selv om muligheden for at reducere den installerede kølekapacitet blev anerkendt og overvejet, blev det tilsyneladende ikke overvejet at ændre oliens viskositet for at tilpasse den højere effektivitet (og dermed lavere driftstemperatur) i systemet. Hvis den mere effektive pumpe med den eksisterende kølekapacitet var blevet matchet med en væske af passende viskositet, ville maskinens brændstoføkonomi sandsynligvis have været bedre end det oprindelige system.

Med andre ord undlod maskinens konstruktører at tage behørigt hensyn til alle fire sider af det, jeg kalder en hydraulisk maskines “The Power Efficiency Diamond”.

The Power-Efficiency Diamond

Effektivitet betyder forholdet mellem udgående effekt og indgående effekt. 90 kW ud fra 100 kW ind er en virkningsgrad på 90 %. 90 kW ud fra 110 kW ind er en effektivitet på 82 %. Og 90 kW ud fra 120 kW ind er en effektivitet på 75 %. Bemærk, at udgangseffekten i alle tre tilfælde forbliver den samme: 90 kW. Det er bare det, at indgangseffekten – og dermed brændstof- eller elforbruget for den drivmaskine, der er nødvendig for at opnå den – bliver ved med at stige!

Kvadranterne i en hydraulisk maskines virkningsgraddiamant er alle indbyrdes forbundne. Ændring af en af dem påvirker diamantens symmetri.

De fire sider af en hydraulisk maskines diamant for virkningsgrad hænger alle sammen; hvis en af dem ændres, påvirkes diamantens symmetri.

Designet virkningsgrad afspejler den “oprindelige” virkningsgrad af den hardware, der er valgt til systemet. Denne hardware omfatter antallet af strømforbrugende anordninger, som f.eks. proportionalventiler, strømningsregulatorer og trykreducerende ventiler. Den omfatter også tab, der er “indbygget” i form af dimensioner og konfiguration af alle de nødvendige ledere: rør, slanger, fittings og manifolder.

På den modsatte side af diamanten skal den installerede kølekapacitet, som en procentdel af den kontinuerlige indgangseffekt, afspejle det hydrauliske systems konstruerede eller oprindelige effektivitet. Med andre ord, jo lavere den oprindelige effektivitet, jo større er den installerede kølekapacitet.

Ved siden af den installerede kølekapacitet er den omgivende lufttemperatur, som den hydrauliske maskine arbejder i. Dette har direkte indflydelse på hydrauliksystemets driftsolietemperatur, som i høj grad bestemmer olieviskositeten, hvilket fuldender diamanten for virkningsgrad.

En maskinkonstruktør har ingen kontrol over den omgivende lufttemperatur – selv om hun har brug for at vide, hvad dette interval er. Men hun kan (eller bør i det mindste) bestemme de tre andre variabler; designvirkningsgrad, installeret kølekapacitet og olieviskositet. Som den billedlige fremstilling af effekteffektivitetsdiamanten illustrerer (og som ovenstående casestudie viser), kan ingen af disse variabler betragtes isoleret.

Hvis man ser på effekteffektivitetsdiamanten fra en maskinejers perspektiv, er det nyttigt at forstå, at selv efter at maskinen er blevet konstrueret, bygget og fyldt med olie, er konstruktionsvirkningsgrad, installeret kølekapacitet og omgivende lufttemperatur bevægelige mål – bevægelige mål, der påvirker olieviskositeten i drift og dermed strømforbruget.

Muligheden for variation i den omgivende lufttemperatur, især hvis maskinen flyttes mellem steder med forskellige klimatiske forhold, er ret indlysende. Og selv om den konstruktionsmæssige effektivitet ikke varierer, forringes den faktiske driftseffektivitet typisk over tid på grund af slitage. På samme måde kan den installerede kølekapacitet, selv om den ikke ændrer sig over tid som en procentdel af den indgående effekt, blive mindre effektiv på grund af slid på komponenterne i kølekredsløbet og – i tilfælde af luft-blæsevarmevekslere – på grund af variationer i den omgivende lufttemperatur og højde.

Så for at få en hydraulisk maskine ind i dens effekteffektivitet “sweet spot” kræver det et velinformeret design. For at holde den der kræver det, at ændringerne i de afhængige variabler holdes på et minimum. I begge tilfælde kan The Power Efficiency Diamond være en hjælp for både maskinkonstruktører og ejere af hydraulisk udstyr til at forstå opgaven.

Brendan Casey har mere end 26 års erfaring inden for vedligeholdelse, reparation og eftersyn af mobilt og industrielt hydraulisk udstyr. Du kan få flere oplysninger om at reducere driftsomkostningerne og øge driftstiden for dit hydrauliske udstyr ved at besøge hans websted på www.HydraulicSupermarket.com.