Tämän palstan lukijat tietävät, että hiilivetypohjaisen hydraulinesteen viskositeetti on kääntäen verrannollinen lämpötilaan. Lämpötilan noustessa nesteen viskositeetti pienenee ja päinvastoin. Tämä ei ole ihanteellinen tilanne useista syistä. Itse asiassa ihanteellisen hydraulinesteen viskositeetti-indeksiä (nesteen viskositeetin muutos suhteessa lämpötilaan) edustaisi vaakasuora viiva, joka leikkaa Y-akselin 25 centiStokesin kohdalla.

Tämä lämpötilaviskositeetti osoittaa, että ihanteellisessa hydraulinesteessä viskositeetti ei muuttuisi lämpötilasta riippumatta.

Hydraulikoneiden tehokkuuden ja pitkäikäisyyden kannalta tällaista nestettä ei valitettavasti ole olemassa. Ja on epätodennäköistä, että sellaista nestettä kehitetään minun elinaikanani. Mutta jos tällainen neste kehitettäisiin ja patentoitaisiin, sen luojalla olisi avain kultakaivokseen. Tällä hetkellä meillä on monilaatuista hydrauliöljyä. Näillä nesteillä on korkea viskositeetti-indeksi, joten niiden viskositeetti on vähemmän herkkä lämpötilan muutoksille kuin yksilaatuisten öljyjen.

Tarkoituksettomat seuraukset

Nesteen viskositeetti on yksi niistä tekijöistä, jotka määräävät, saavutetaanko ja ylläpidetäänkö täyskalvon voitelu. Jos kuormitus ja pintanopeus pysyvät vakiona, mutta kohonnut käyttölämpötila aiheuttaa sen, että viskositeetti laskee alle sen, mitä vaaditaan hydrodynaamisen kalvon ylläpitämiseksi, syntyy rajavoitelu; tämä luo luomalla kitkan ja adhesiivisen kulumisen mahdollisuuden.

Toisaalta on olemassa viskositeettialue, jolla nesteen kitka, mekaaninen kitka ja tilavuushäviöt ovat optimaaliset hydrauliikkajärjestelmän suorituskyvyn kannalta. Tämä on viskositeettialue, jolla hydraulijärjestelmä toimii tehokkaimmin: suurin lähtötehon suhde syötettyyn tehoon.

Edellä esitetyn asian havainnollistamiseksi tarkastellaan seuraavaa esimerkkiä: Pyrkiessään parantamaan polttoaineen kulutusta moottorikäyttöisen, siirrettävän hydrauliikkakoneen valmistaja vaihtoi koneen kiinnityslaitteen voimanlähteenä toimivan kiinteätilavuuksisen pumpun muuttuvatilavuuksiseen yksikköön. Koneen maavoimansiirrossa käytettiin jo ennestään muuttuvatilavuuksista mäntäpumppua (hydrostaattinen voimansiirto), joten lisälaitteen hydraulipiirin päivittäminen tehokkaampaan kokoonpanoon tuntui koneen suunnitteluinsinööreistä loogiselta edistysaskeleelta.

Kun tätä muutosta testattiin, insinöörit havaitsivat järkyttyneinä, että polttoaineenkulutus oli itse asiassa noussut 12-15 prosentilla! Analyysin jälkeen polttoaineen kulutuksen nousu johtui öljyn viskositeetin kasvusta, joka johtui öljyn käyttölämpötilan laskusta 30 °C:n lämpötilaan. Toisin sanoen ”paksumpi” öljy oli aiheuttanut lisävastusta maavoimansiirtoa käyttävälle hydrostaattiselle vaihteistolle, mikä aiheutti koneen suuremman polttoaineenkulutuksen.

Koneessa käytettiin kaksiosaista yhdistelmälämmönsiirrintä sekä hydrauliöljyä että moottorin jäähdytysnestettä varten. Moottorin jäähdytystä parannettiin moottorin jäähdytysnesteen lämpötilaan perustuvalla termostaattiohjatulla hydrauliikkapuhaltimella. Öljynjäähdytinosa mitoitettiin alkuperäiselle kiinteän tilavuuden hydraulipumpulle.

Haittapuolena tässä järjestelyssä on se, että koska moottorin jäähdytystä ohjataan termostaatilla ja hydraulijärjestelmää ei, ilman virtaus yhdistetyn lämmönvaihtimen läpi riippuu täysin moottorin lämpötilasta. Tämä tarkoittaa, että lämpökuorman väheneminen kiinteän tilavuuspumpun korvaamisesta muuttuvalla tilavuuspumpulla johti hydrauliöljyn lämpötilan huomattavaan alenemiseen – mikä on yleensä hyvä asia!

Insinöörit sulkivat suurimman osan jäähdyttimen hydrauliöljyn osasta ja suorittivat testin uudelleen. Tämä palautti polttoaineenkulutuksen alkuperäiselle tasolle, mutta merkittävää parannusta ei havaittu.

Johtopäätöksenä todettiin, että testatulla muutoksella voitaisiin saada aikaan pieni kustannussäästö öljynjäähdyttimen koon pienentämisen suhteen. Mutta koska polttoaineenkulutus oli tärkeämpää kuin mitkään vaatimattomat säästöt jäähdytyskapasiteetissa, ajatus siitä, että maksettaisiin enemmän pumpusta, joka johti öljyn pitämiseen alhaisemmassa käyttölämpötilassa – mutta lisäsi polttoaineenkulutusta – oli koneen insinööreille sovittamaton.

Oppi, joka opittiin

Tämä tarina havainnollistaa, millainen vaikutus hydrauliikkaöljyn lämpötilalla (ja näin ollen viskositeetilla) voi olla polttoaineenkulutukseen. Kerrataan pääkohdat:

• Hydraulijärjestelmän lämpökuormaa vähennettiin (hyötysuhdetta lisättiin) korvaamalla kiinteä pumppu taajuusmuuttajayksiköllä;
• Tämä johti hydrauliöljyn käyttölämpötilan merkittävään laskuun;
• Tuloksena oleva hydrauliöljyn viskositeetin nousu lisäsi polttoaineen kulutusta merkityksellisen paljon.

Muilla sanoilla, jos hydrauliöljysi on liian paksua, maksat siitä polttoainepumpussa tai sähkömittarissa. Varoittava kääntöpuoli on kuitenkin se, että jos öljysi on liian ohutta, maksat siitä korjaamolla.

Jos oletetaan, että tämä kokeilu suoritettiin samassa ympäristön lämpötilassa molemmissa pumppuvaihtoehdoissa, hydrauliöljyn lämpötilan lasku 30 °C:lla (54 ° F) on varsin huomattava. Tämä saattaa osittain selittyä koneeseen asennetulla yhdistelmälämmönvaihtimella. Kun hydrauliöljyn viskositeetti kasvaa, moottori käy kovempaa (polttaa enemmän polttoainetta), joten jäähdytystuuletin (jota ohjataan moottorin lämpötilan mukaan) käy kovempaa. Tämä tarkoittaa, että hydrauliöljystä haihtuu enemmän lämpöä, ja näin ollen hydrauliöljyn viskositeetti kasvaa entisestään. Se on viskoosi kehä.

Tästä tarinasta voidaan ottaa myös se, että useimmat suunnittelijat eivät kohtele öljyä hydrauliikkajärjestelmän avainkomponenttina, joka se on. Tämä on olennainen asia koneiden suunnittelijoille ja niiden koneiden ostajille. Hydrauliöljyn viskositeettia, viskositeetti-indeksiä tai järjestelmän hydrauliikkakomponenteille optimaalista viskositeettilukua ei ilmeisesti otettu huomioon testin aikana. Tämä viittaa siihen, että koneen normaali polttoaineenkulutus oli vain onnellinen sattuma.

Jopa sen jälkeen, kun oli havaittu, että polttoaineenkulutus nousee öljyn viskositeetin kasvaessa, ja vaikka asennetun jäähdytystehon pienentämismahdollisuus myönnettiin ja sitä harkittiin, ei ilmeisesti harkittu öljyn viskositeetin muuttamista vastaamaan järjestelmän korkeampaa hyötysuhdetta (ja siten alhaisempaa käyttölämpötilaa). Jos nykyisellä jäähdytyskapasiteetilla varustettuun tehokkaampaan pumppuun olisi sovitettu sopivan viskositeetin omaava öljy, on todennäköistä, että koneen polttoainetaloudellisuus olisi ollut alkuperäistä järjestelmää parempi.

Muilla sanoen koneen suunnittelijat eivät ottaneet asianmukaisesti huomioon kaikkia neljää puolta siitä, mitä kutsun nimellä hydraulisen koneen tehotehokkuuden timantti.

Tehotehokkuuden timantti

Tehotehokkuus tarkoittaa ulosmenevän tehon suhdetta sisäänmenevään tehon määrään. Yhdeksänkymmentä kilowattia ulos 100 kilowatin sisäänmenevästä tehosta on 90 prosentin hyötysuhde. Yhdeksänkymmentä kW ulos 110 kW:n tehosta sisäänpäin on 82 % hyötysuhde. Ja 90 kW ulos 120 kW:n sisäänmenosta on hyötysuhde 75 %. Huomaa, että kaikissa kolmessa tapauksessa lähtöteho pysyy samana: 90 kW. Syötetty teho – ja siten sen tuottamiseen tarvittavan voimanlähteen polttoaineen tai sähkön kulutus – vain kasvaa jatkuvasti!

Hydraulisen koneen tehohyötysuhteen timantin kvartaaneilla on keskinäinen yhteys. Minkä tahansa muuttaminen vaikuttaa timantin symmetriaan.

Hydraulikoneen tehotehokkuuden timantin neljä sivua liittyvät kaikki toisiinsa; jos muutat mitä tahansa, se vaikuttaa timantin symmetriaan.

Suunniteltu hyötysuhde kuvastaa järjestelmään valitun laitteiston ”alkuperäistä” tehokkuutta. Tähän laitteistoon kuuluu läsnä olevien tehoa tuhlaavien laitteiden, kuten proportionaaliventtiilien, virtauksen säätimien ja paineenalennusventtiilien määrä. Se sisältää myös häviöt, jotka on ”suunniteltu” kaikkien tarvittavien johtimien: putkien, letkujen, liitososien ja jakotukkien mitoilla ja kokoonpanolla.

Timantin vastakkaisella puolella asennetun jäähdytystehon prosentteina jatkuvasta ottotehosta pitäisi kuvastaa hydraulijärjestelmän suunniteltua tai alkuperäistä tehokkuutta. Toisin sanoen, mitä pienempi alkuperäinen hyötysuhde on, sitä suurempi on asennettu jäähdytysteho.

Asennetun jäähdytystehon vieressä on ympäröivän ilman lämpötila, jossa hydraulikone toimii. Tämä vaikuttaa suoraan hydraulijärjestelmän käyttööljyn lämpötilaan, joka määrittää pitkälti öljyn viskositeetin, joka viimeistelee tehohyötysuhteen timantin.

Koneen suunnittelija ei voi vaikuttaa ympäröivän ilman lämpötilaan – vaikkakin hänen on tiedettävä, mikä tämä alue on. Mutta hän voi (tai ainakin hänen pitäisi) määrittää kolme muuta muuttujaa; suunnitteluhyötysuhde, asennettu jäähdytysteho ja öljyn viskositeetti. Kuten tehohyötysuhteen timantin kuvallinen esitys havainnollistaa (ja yllä oleva tapaustutkimus osoittaa), mitään näistä muuttujista ei voida tarkastella erikseen.

Katsottaessa tehohyötysuhteen timanttia koneen omistajan näkökulmasta on hyödyllistä ymmärtää, että jopa sen jälkeen, kun kone on suunniteltu, rakennettu ja täytetty öljyllä, suunnitteluhyötysuhde, asennettu jäähdytyskapasiteetti ja ympäröivän ulkoilman lämpötila ovat liikkuvia kohteita – liikkuvia kohteita, joilla on vaikutusta käytettävän öljyn viskositeettiin ja näin ollen myös tehon kulutukseen.

Ympäröivän ilman lämpötilan vaihtelun mahdollisuus, erityisesti jos konetta siirretään eri ilmasto-olosuhteissa sijaitsevien paikkojen välillä, on melko ilmeinen. Ja vaikka suunnitteluhyötysuhde ei vaihtele, todellinen käyttöhyötysuhde heikkenee tyypillisesti ajan myötä kulumisen vuoksi. Vastaavasti, vaikka asennettu jäähdytysteho ei muutu ajan mittaan prosentteina syötetystä tehosta, jäähdytyspiirin komponenttien kuluminen ja – ilmapuhalluslämmönsiirtimien tapauksessa – ympäröivän ilman lämpötilan ja korkeuden vaihtelu voi heikentää sen tehokkuutta.

Hydraulikoneen saaminen tehon hyötysuhteensa kannalta parhaaseen mahdolliseen pisteeseen edellyttää siis tietoista suunnittelua. Sen pitäminen siellä edellyttää, että riippuvien muuttujien muutokset pidetään mahdollisimman vähäisinä. Molemmissa tapauksissa The Power Efficiency Diamond voi olla avuksi sekä koneen suunnittelijoille että hydrauliikkalaitteiden omistajille tehtävän ymmärtämisessä.

Brendan Caseylla on yli 26 vuoden kokemus liikuteltavien ja teollisten hydrauliikkalaitteiden huollosta, korjauksesta ja kunnossapidosta. Jos haluat lisätietoja hydrauliikkalaitteistosi käyttökustannusten vähentämisestä ja käyttöajan lisäämisestä, käy hänen verkkosivuillaan osoitteessa www.HydraulicSupermarket.com.