La maggior parte dei lettori di questa rubrica sanno bene che la viscosità di un fluido idraulico a base di idrocarburi è inversamente proporzionale alla temperatura. All’aumentare della temperatura, la viscosità del fluido diminuisce e viceversa. Questa non è una situazione ideale per diverse ragioni. Infatti, il fluido idraulico ideale avrebbe un indice di viscosità (la variazione della viscosità di un fluido rispetto alla temperatura) rappresentato da una linea orizzontale che intercetta l’asse Y a 25 centiStokes.

Questa temperatura-viscosità mostra che un fluido idraulico ideale non presenterebbe alcuna variazione di viscosità indipendentemente dalla temperatura.

Purtroppo, non esiste un fluido simile per l’efficienza e la longevità delle macchine idrauliche. Ed è improbabile che un tale fluido venga sviluppato durante la mia vita. Ma se tale fluido fosse sviluppato e brevettato, il suo creatore avrebbe la chiave di una miniera d’oro. Per ora, abbiamo un olio idraulico multigrado. Questi fluidi hanno un alto indice di viscosità, quindi la loro viscosità è meno sensibile ai cambiamenti di temperatura di un olio monogrado.

Conseguenze indesiderate

La viscosità del fluido è uno dei fattori che determina se la lubrificazione a pieno film è raggiunta e mantenuta. Se il carico e la velocità della superficie rimangono costanti, ma l’elevata temperatura operativa fa scendere la viscosità al di sotto di quella richiesta per mantenere un film idrodinamico, si verifica una lubrificazione limite; questo crea la possibilità di attrito e usura adesiva.

D’altra parte, c’è un intervallo di viscosità in cui l’attrito del fluido, l’attrito meccanico e le perdite volumetriche sono ottimali per le prestazioni del sistema idraulico. Questo è l’intervallo di viscosità in cui il sistema idraulico funzionerà in modo più efficiente: il più alto rapporto tra potenza in uscita e potenza in entrata.

Per illustrare il punto precedente, considerate questo esempio: Nella ricerca di un migliore consumo di carburante, il produttore di una macchina idraulica mobile alimentata a motore ha sostituito la sua pompa a cilindrata fissa che alimenta l’accessorio della macchina con un’unità a cilindrata variabile. La trasmissione a terra della macchina utilizzava già una pompa a pistone a cilindrata variabile (trasmissione idrostatica), quindi l’aggiornamento del circuito idraulico dell’attrezzo con una configurazione più efficiente è sembrata una progressione logica per gli ingegneri di progettazione della macchina.

Quando questa modifica è stata testata, gli ingegneri sono rimasti scioccati nello scoprire che il consumo di carburante era effettivamente aumentato dal 12 al 15%! Dopo un’analisi, l’aumento del consumo di carburante è stato attribuito a un aumento della viscosità dell’olio causato da un calo di 30°C della temperatura dell’olio operativo. In altre parole, l’olio “più denso” aveva provocato una resistenza supplementare sulla trasmissione idrostatica che alimenta la trazione a terra, facendo consumare alla macchina più carburante.

La macchina utilizzava uno scambiatore di calore combinato a due sezioni sia per l’olio idraulico che per il liquido di raffreddamento del motore. Il raffreddamento del motore era migliorato da un azionamento della ventola idraulica controllato termostaticamente in base alla temperatura del liquido di raffreddamento del motore. La sezione di raffreddamento dell’olio era dimensionata per la pompa idraulica originale a cilindrata fissa.

Lo svantaggio di questa disposizione è che, essendo il raffreddamento del motore controllato termostaticamente e il sistema idraulico no, il flusso d’aria attraverso lo scambiatore di calore combinato dipende interamente dalla temperatura del motore. Questo significa che la riduzione del carico termico derivante dalla sostituzione della pompa a cilindrata fissa con un’unità a cilindrata variabile ha portato a una riduzione significativa della temperatura dell’olio idraulico, che normalmente è una buona cosa!

Gli ingegneri hanno bloccato la maggior parte della sezione dell’olio idraulico del radiatore e hanno rifatto il test. Questo ha riportato il consumo di carburante al livello originale, ma non si è visto alcun miglioramento significativo.

Si è concluso che la modifica testata potrebbe comportare un piccolo risparmio sui costi rispetto alla riduzione delle dimensioni del radiatore dell’olio. Ma con il consumo di carburante più importante di qualsiasi modesto risparmio nella capacità di raffreddamento, l’idea di pagare di più per una pompa che ha portato a mantenere l’olio a una temperatura di funzionamento più bassa, ma con un aumento del consumo di carburante, era inconciliabile per gli ingegneri della macchina.

Lesson Learned

Questa storia illustra l’impatto che la temperatura dell’olio idraulico (e quindi la viscosità) può avere sul consumo di carburante. Per ricapitolare i punti chiave:

• Il carico termico sul sistema idraulico è stato ridotto (efficienza aumentata) sostituendo una pompa fissa con un’unità a portata variabile;
• Questo ha portato a un calo significativo della temperatura dell’olio idraulico operativo;
• L’aumento risultante della viscosità dell’olio idraulico ha aumentato il consumo di carburante di una quantità significativa.

In altre parole, se il vostro olio idraulico è troppo denso, lo pagherete alla pompa del carburante o al contatore elettrico. Il rovescio della medaglia, però, è che se il vostro olio è troppo sottile, lo pagherete al negozio di riparazioni.

Assumendo che questa prova sia stata condotta alla stessa temperatura ambiente per entrambe le opzioni di pompa, un calo di 30° C (54° F) nella temperatura dell’olio idraulico è abbastanza notevole. Questo può, in parte, essere spiegato dallo scambiatore di calore combinato installato sulla macchina. Quando la viscosità dell’olio idraulico aumenta, il motore lavora di più (brucia più carburante), quindi la ventola di raffreddamento (controllata dalla temperatura del motore) funziona di più. Questo significa che viene dissipato più calore dall’olio idraulico e, quindi, la viscosità dell’olio idraulico aumenta ulteriormente. È un circolo viscoso.

Un’altra cosa da prendere da questa storia – che è pertinente per i progettisti di macchine e le persone che comprano le loro macchine – è che la maggior parte dei progettisti non trattano l’olio come il componente chiave del sistema idraulico che è. La viscosità dell’olio idraulico, l’indice di viscosità o il numero di viscosità ottimale per i componenti idraulici del sistema apparentemente non sono stati considerati durante il test. Questo suggerisce che il consumo di carburante normale e di base della macchina era solo una felice coincidenza.

Anche dopo aver scoperto che il consumo di carburante sale con la viscosità dell’olio, e anche se la possibilità di ridurre la capacità di raffreddamento installata è stata riconosciuta e contemplata, apparentemente non è stata presa in considerazione la possibilità di cambiare la viscosità dell’olio per soddisfare la maggiore efficienza (quindi, la temperatura di funzionamento inferiore) del sistema. Se la pompa più efficiente con la capacità di raffreddamento esistente fosse stata abbinata a un fluido di viscosità adatta, è probabile che il risparmio di carburante della macchina sarebbe stato superiore al sistema originale.

In altre parole, i progettisti della macchina non sono riusciti a considerare correttamente tutti e quattro i lati di quello che io chiamo Il diamante dell’efficienza della potenza di una macchina idraulica.

Il diamante dell’efficienza della potenza

L’efficienza della potenza significa il rapporto tra la potenza in uscita e quella in entrata. Novanta kW in uscita da 100 kW in entrata è un’efficienza del 90%. Novanta kW in uscita da 110 kW in entrata è un’efficienza dell’82%. E 90 kW in uscita da 120 kW in entrata è un’efficienza del 75%. Si noti che in tutti e tre i casi la potenza in uscita rimane la stessa: 90 kW. È solo che la potenza d’ingresso – quindi il consumo di carburante o elettricità del motore principale richiesto per ottenerla – continua a salire!

I quadranti del diamante dell’efficienza di potenza di una macchina idraulica sono tutti correlati. Cambiarne uno qualsiasi influisce sulla simmetria del diamante.

I quattro lati del Power Efficiency Diamond di una macchina idraulica sono tutti correlati; cambiandone uno qualsiasi, la simmetria del diamante ne risente.

Designed Efficiency riflette l’efficienza “nativa” dell’hardware scelto per il sistema. Questo hardware include il numero di dispositivi che sprecano energia presenti, come le valvole proporzionali, i controlli di flusso e le valvole di riduzione della pressione. Include anche le perdite “progettate” dalle dimensioni e dalla configurazione di tutti i conduttori necessari: tubazioni, tubi, raccordi e collettori.

Sul lato opposto del diamante, la Capacità di raffreddamento installata, come percentuale della potenza di ingresso continua, dovrebbe riflettere l’efficienza progettata o nativa del sistema idraulico. In altre parole, più bassa è l’efficienza nativa, maggiore è la capacità di raffreddamento installata.

Adiacente alla capacità di raffreddamento installata è la temperatura dell’aria ambiente in cui opera la macchina idraulica. Questa influenza direttamente la temperatura dell’olio operativo del sistema idraulico, che determina in gran parte la viscosità dell’olio, completando il diamante dell’efficienza di potenza.

Un progettista di macchine non ha controllo sulla temperatura dell’aria ambiente – anche se deve sapere qual è questo intervallo. Ma può (o almeno dovrebbe) determinare le altre tre variabili: efficienza di progetto, capacità di raffreddamento installata e viscosità dell’olio. Come illustra la rappresentazione pittorica del Power Efficiency Diamond (e come dimostra il caso di studio di cui sopra), nessuna di queste variabili può essere considerata isolatamente.

Guardando il Power Efficiency Diamond dal punto di vista del proprietario della macchina, è utile capire che anche dopo che la macchina è stata progettata, costruita e riempita di olio, l’efficienza di progetto, la capacità di raffreddamento installata e la temperatura dell’aria ambiente sono obiettivi in movimento – obiettivi in movimento che influenzano la viscosità dell’olio operativo e, quindi, il consumo energetico.

La possibilità di variazione della temperatura dell’aria ambiente, in particolare se la macchina viene spostata tra luoghi con condizioni climatiche diverse, è abbastanza ovvia. E anche se l’efficienza di progetto non varia, l’efficienza operativa reale tipicamente si deteriora nel tempo a causa dell’usura. Allo stesso modo, anche se la capacità di raffreddamento installata non cambia nel tempo come percentuale della potenza in ingresso, la sua efficacia può essere ridotta dall’usura dei componenti del circuito di raffreddamento e – nel caso degli scambiatori di calore ad aria – dalla variazione della temperatura dell’aria ambiente e dall’altitudine.

Quindi, per portare una macchina idraulica nel suo “sweet spot” di efficienza di potenza è necessaria una progettazione informata. Mantenerla lì richiede che il cambiamento delle variabili dipendenti sia mantenuto al minimo. In entrambi i casi, The Power Efficiency Diamond può essere utile sia ai progettisti di macchine che ai proprietari di attrezzature idrauliche per capire il compito da svolgere.

Brendan Casey ha più di 26 anni di esperienza nella manutenzione, riparazione e revisione di attrezzature idrauliche mobili e industriali. Per ulteriori informazioni sulla riduzione dei costi operativi e l’aumento dei tempi di attività delle vostre attrezzature idrauliche, visitate il suo sito web all’indirizzo www.HydraulicSupermarket.com.