A rovat legtöbb olvasója jól tudja, hogy a szénhidrogén alapú hidraulikafolyadék viszkozitása fordítottan arányos a hőmérséklettel. A hőmérséklet növekedésével a folyadék viszkozitása csökken, és fordítva. Ez több okból sem ideális helyzet. Valójában az ideális hidraulikafolyadék viszkozitási indexe (a folyadék viszkozitásának a hőmérséklethez viszonyított változása) az Y tengelyt 25 centiStokes-nál metsző vízszintes vonallal ábrázolódna.

Ez a hőmérséklet-viszkozitás mutatja, hogy az ideális hidraulikafolyadék viszkozitása a hőmérséklettől függetlenül nem változna.

Sajnos ilyen folyadék nem létezik a hidraulikagépek hatékonysága és élettartama szempontjából. És nem valószínű, hogy az én életemben ilyen folyadékot fognak kifejleszteni. De ha egy ilyen folyadékot kifejlesztenének és szabadalmaztatnának, akkor az alkotója egy aranybánya kulcsát tartaná a kezében. Jelenleg többféle hidraulikaolajunk van. Ezeknek a folyadékoknak magas a viszkozitási indexük, így viszkozitásuk kevésbé érzékeny a hőmérséklet-változásra, mint az egyfokozatú olajoké.

Nem szándékolt következmények

A folyadék viszkozitása az egyik olyan tényező, amely meghatározza, hogy a teljes filmrétegű kenés megvalósul-e és fennmarad-e. Ha a terhelés és a felületi sebesség állandó marad, de a megemelkedett üzemi hőmérséklet miatt a viszkozitás a hidrodinamikai film fenntartásához szükséges viszkozitás alá csökken, határkenés jön létre; ez megteremti a súrlódás és a tapadó kopás lehetőségét.

Másrészt van egy olyan viszkozitási tartomány, ahol a folyadék súrlódása, a mechanikai súrlódás és a térfogati veszteségek optimálisak a hidraulikus rendszer teljesítménye szempontjából. Ez az a viszkozitási tartomány, ahol a hidraulikus rendszer a leghatékonyabban működik: a legnagyobb a kimenő teljesítmény és a bemenő teljesítmény aránya.

A fenti pont illusztrálására tekintsük a következő példát: Az üzemanyag-fogyasztás javítására törekedve egy motorral hajtott, mobil hidraulikus gép gyártója a gép tartozékát működtető, fix kiszorítású szivattyút egy változó kiszorítású egységre cserélte. A gép földi meghajtása már korábban is egy változtatható lökettérfogatú dugattyús szivattyút használt (hidrosztatikus erőátvitel), így a munkagép hidraulikakörének korszerűsítése egy hatékonyabb konfigurációra logikus előrelépésnek tűnt a gép tervezőmérnökei számára.

Mikor ezt a módosítást tesztelték, a mérnökök megdöbbenve tapasztalták, hogy az üzemanyag-fogyasztás valójában 12-15%-kal nőtt! Az elemzést követően az üzemanyag-fogyasztás növekedését az olaj viszkozitásának növekedésének tulajdonították, amit az üzemi olaj hőmérsékletének 30°C-os csökkenése okozott. Más szóval, a “sűrűbb” olaj extra ellenállást eredményezett a talajhajtást működtető hidrosztatikus váltónál, ami miatt a gép több üzemanyagot fogyasztott.

A gép kétrészes, kombinált hőcserélőt használt mind a hidraulikaolaj, mind a motor hűtőfolyadékához. A motor hűtését a motor hűtőfolyadék hőmérsékletén alapuló, termosztatikusan szabályozott hidraulikus ventilátorhajtás javította. Az olajhűtő szekciót az eredeti, fix hengerűrtartalmú hidraulikaszivattyúhoz méretezték.

Az elrendezés hátránya, hogy mivel a motor hűtése termosztatikusan szabályozott, a hidraulikarendszeré pedig nem, a kombinált hőcserélőn átáramló levegő teljes mértékben a motor hőmérsékletétől függ. Ez azt jelenti, hogy a hőterhelés csökkenése azáltal, hogy a fix hengerűrtartalmú szivattyút egy változó hengerűrtartalmú egységre cserélték, a hidraulikaolaj hőmérsékletének jelentős csökkenését eredményezte – ami általában jó dolog!

A mérnökök elzárták a hűtő hidraulikaolaj-részének nagy részét, és újra lefuttatták a tesztet. Ez visszaállította az üzemanyag-fogyasztást az eredeti szintre, de jelentős javulást nem tapasztaltak.

Azt a következtetést vonták le, hogy a vizsgált módosítás az olajhűtő méretének csökkentésével kis költségmegtakarítást eredményezhet. Mivel azonban az üzemanyag-fogyasztás fontosabb volt, mint a hűtőkapacitásban elért szerény megtakarítás, a gép mérnökei számára összeegyeztethetetlen volt az az elképzelés, hogy többet fizessenek egy olyan szivattyúért, amely az olaj alacsonyabb üzemi hőmérsékleten tartását – de az üzemanyag-fogyasztás növekedését – eredményezte.

A tanulság

Ez a történet jól szemlélteti, hogy a hidraulikaolaj hőmérséklete (és így a viszkozitás) milyen hatással lehet az üzemanyag-fogyasztásra. Összefoglalva a legfontosabb pontokat:

• A hidraulikarendszer hőterhelését csökkentették (a hatékonyságot növelték) azzal, hogy a rögzített szivattyút egy változó kiszorítású egységre cserélték;
• Ez az üzemi hidraulikaolaj hőmérsékletének jelentős csökkenését eredményezte;
• A hidraulikaolaj viszkozitásának ebből eredő növekedése jelentős mértékben növelte az üzemanyag-fogyasztást.

Más szóval, ha a hidraulikaolaj túl sűrű, akkor az üzemanyagszivattyúnál vagy a villanyóránál fog fizetni érte. Ennek óvatos hátulütője azonban az, hogy ha az olaj túl híg, akkor a javítóműhelyben fog fizetni érte.

Feltéve, hogy ezt a kísérletet mindkét szivattyúváltozatnál azonos környezeti hőmérsékleten végezték, a hidraulikaolaj hőmérsékletének 30 °C-os (54 °F) csökkenése igen figyelemre méltó. Ez részben a gépre szerelt kombinált hőcserélővel magyarázható. A hidraulikaolaj viszkozitásának növekedésével a motor keményebben dolgozik (több üzemanyagot éget el), így a hűtőventilátor (amelyet a motor hőmérséklete vezérel) keményebben működik. Ez azt jelenti, hogy több hő távozik a hidraulikaolajból, és ezért a hidraulikaolaj viszkozitása tovább nő. Ez egy viszkózus körforgás.

Egy másik tanulság ebből a történetből – ami a géptervezők és a gépeiket vásárlók számára is fontos -, hogy a legtöbb tervező nem úgy kezeli az olajat, mint a hidraulikus rendszer kulcsfontosságú összetevőjét. A hidraulikaolaj viszkozitását, viszkozitási indexét vagy a rendszerben lévő hidraulikus alkatrészek optimális viszkozitási számát nyilvánvalóan nem vették figyelembe a vizsgálat során. Ez arra utal, hogy a gép alapszintű, normális üzemanyag-fogyasztása csak szerencsés véletlen volt.

Még azután is, hogy felfedezték, hogy az üzemanyag-fogyasztás az olaj viszkozitásának növekedésével nő, és bár a beépített hűtőkapacitás csökkentésének lehetőségét elismerték és megfontolták, nyilvánvalóan nem vették figyelembe az olaj viszkozitásának megváltoztatását a rendszer magasabb hatásfokához (tehát alacsonyabb üzemi hőmérsékletéhez) való igazodás érdekében. Ha a meglévő hűtőkapacitású, hatékonyabb szivattyúhoz megfelelő viszkozitású folyadékot párosítottak volna, valószínűleg a gép üzemanyag-takarékossága jobb lett volna, mint az eredeti rendszeré.

Más szóval, a gép tervezői nem vették megfelelően figyelembe annak a négy oldalát, amit én a hidraulikus gép teljesítményhatékonysági gyémántjának nevezek.

A teljesítményhatékonysági gyémánt

A teljesítményhatékonyság a leadott teljesítmény és a felvett teljesítmény arányát jelenti. Kilencven kW kimenő teljesítmény 100 kW bemenő teljesítményből 90%-os hatásfokot jelent. Kilencven kW kimenő teljesítmény 110 kW bemenő teljesítményből 82%-os hatásfokot jelent. És 90 kW kimenő teljesítmény 120 kW bemenő teljesítményből 75%-os hatásfokot jelent. Vegye figyelembe, hogy mindhárom esetben a kimenő teljesítmény ugyanaz marad: 90 kW. Csakhogy a bemeneti teljesítmény – tehát az ennek eléréséhez szükséges főhajtómű üzemanyag- vagy villamosenergia-fogyasztása – folyamatosan nő!

A hidraulikus gép teljesítményhatékonysági gyémántjának négyszögei mind összefüggnek egymással. Bármelyik megváltoztatása befolyásolja a gyémánt szimmetriáját.

A hidraulikus gép teljesítményhatékonysági gyémántjának négy oldala mind összefügg egymással; bármelyik megváltoztatása befolyásolja a gyémánt szimmetriáját.

A tervezett hatékonyság a rendszerhez választott hardver “natív” hatékonyságát tükrözi. Ez a hardver magában foglalja a jelen lévő energiapazarló eszközök, például az arányos szelepek, az áramlásszabályozók és a nyomáscsökkentő szelepek számát. Tartalmazza továbbá az összes szükséges vezeték: csövek, tömlők, szerelvények és elosztók méretei és konfigurációja által “betervezett” veszteségeket.

A gyémánt másik oldalán a telepített hűtőteljesítménynek a folyamatos bemeneti teljesítmény százalékában kifejezve kell tükröznie a hidraulikus rendszer tervezett vagy natív hatékonyságát. Más szóval, minél kisebb a natív hatásfok, annál nagyobb a beépített hűtőkapacitás.

A beépített hűtőkapacitás mellett található a környezeti levegő hőmérséklete, amelyben a hidraulikus gép működik. Ez közvetlenül befolyásolja a hidraulikus rendszer üzemi olajhőmérsékletét, amely nagymértékben meghatározza az olaj viszkozitását, kiegészítve a Teljesítményhatékonyság gyémántot.

A gép tervezőjének nincs befolyása a környezeti levegő hőmérsékletére – bár tudnia kell, hogy mi ez a tartomány. De meghatározza (vagy legalábbis meg kellene határoznia) a másik három változót; a tervezési hatásfokot, a beépített hűtőkapacitást és az olaj viszkozitását. Amint a Teljesítményhatékonysági gyémánt képi ábrázolása (és a fenti esettanulmány is mutatja), e változók közül egyiket sem lehet elszigetelten figyelembe venni.

A Teljesítményhatékonysági gyémántot a gép tulajdonosa szemszögéből nézve hasznos megérteni, hogy még a gép tervezése, megépítése és olajjal való feltöltése után is a tervezési hatékonyság, a beépített hűtési kapacitás és a környezeti levegő hőmérséklete mozgó célok – mozgó célok, amelyek befolyásolják az üzemi olaj viszkozitását és ezáltal a teljesítményfogyasztást.

A környezeti levegő hőmérsékletének változása, különösen, ha a gépet különböző éghajlati viszonyokkal rendelkező helyek között mozgatják, meglehetősen nyilvánvaló. És bár a tervezési hatásfok nem változik, a tényleges működési hatásfok az idő múlásával jellemzően romlik az elhasználódás miatt. Hasonlóképpen, bár a beépített hűtőkapacitás a bemeneti teljesítmény százalékában kifejezve nem változik az idő múlásával, a hűtőkör alkatrészeinek kopása és elhasználódása, valamint – a légbefúvásos hőcserélők esetében – a környezeti levegő hőmérsékletének és magasságának változása miatt csökkenhet a hatékonysága.

A hidraulikus gép teljesítményhatékonyságának “édes pontjára” való beállítása tehát megalapozott tervezést igényel. Az ott tartás megköveteli, hogy a függő változók változását a lehető legkisebbre csökkentsük. Mindkét esetben A teljesítményhatékonysági gyémánt hasznos lehet mind a géptervezők, mind a hidraulikus berendezések tulajdonosai számára a feladat megértésében.

Brendan Casey több mint 26 éves tapasztalattal rendelkezik a mobil és ipari hidraulikus berendezések karbantartása, javítása és nagyjavítása terén. A hidraulikus berendezések üzemeltetési költségeinek csökkentésével és üzemidejének növelésével kapcsolatos további információkért látogasson el weboldalára a www.HydraulicSupermarket.com címre.