Większość czytelników tej kolumny dobrze wie, że lepkość płynu hydraulicznego na bazie węglowodorów jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury, lepkość płynu maleje i odwrotnie. Z kilku powodów nie jest to sytuacja idealna. W rzeczywistości, idealny płyn hydrauliczny miałby wskaźnik lepkości (zmiana lepkości płynu w stosunku do temperatury) reprezentowany przez poziomą linię przecinającą oś Y w 25 centystoksach.

Ta temperatura-wiskoza pokazuje, że idealny płyn hydrauliczny nie wykazywałby zmiany lepkości niezależnie od temperatury.

Niestety, taki płyn nie istnieje dla wydajności i trwałości maszyn hydraulicznych. I jest mało prawdopodobne, że taki płyn zostanie opracowany w moim życiu. Ale jeśli taki płyn zostałby opracowany i opatentowany, jego twórca posiadałby klucz do kopalni złota. Na razie mamy do dyspozycji wielosezonowe oleje hydrauliczne. Płyny te mają wysoki wskaźnik lepkości, więc ich lepkość jest mniej wrażliwa na zmiany temperatury niż w przypadku oleju jednosezonowego.

Niezamierzone konsekwencje

Lepkość cieczy jest jednym z czynników, który określa, czy osiąga się i utrzymuje pełne smarowanie warstwowe. Jeśli obciążenie i prędkość powierzchni pozostają stałe, ale podwyższona temperatura robocza powoduje spadek lepkości poniżej wartości wymaganej do utrzymania filmu hydrodynamicznego, występuje smarowanie graniczne; stwarza to możliwość tarcia i zużycia adhezyjnego.

Z drugiej strony, istnieje zakres lepkości, w którym tarcie płynne, tarcie mechaniczne i straty objętościowe są optymalne dla wydajności układu hydraulicznego. Jest to zakres lepkości, w którym układ hydrauliczny będzie działał najbardziej efektywnie: najwyższy stosunek mocy wyjściowej do mocy wejściowej.

Aby zilustrować powyższy punkt, rozważ następujący przykład: W dążeniu do poprawy zużycia paliwa, producent mobilnej maszyny hydraulicznej napędzanej silnikiem zastąpił pompę o stałej wydajności zasilającą osprzęt maszyny jednostką o zmiennej wydajności. Napęd naziemny maszyny wykorzystywał już pompę tłokową o zmiennej wydajności (przekładnia hydrostatyczna), więc modernizacja obwodu hydraulicznego osprzętu do bardziej wydajnej konfiguracji wydawała się logicznym posunięciem inżynierów projektujących maszynę.

Po przetestowaniu tej modyfikacji inżynierowie byli zszokowani, gdy odkryli, że zużycie paliwa faktycznie wzrosło o 12 do 15%! Po analizie, wzrost zużycia paliwa został przypisany wzrostowi lepkości oleju spowodowanemu spadkiem temperatury roboczej oleju o 30°C. Innymi słowy, „gęstszy” olej spowodował dodatkowy opór na przekładni hydrostatycznej napędzającej napęd naziemny, powodując większe zużycie paliwa przez maszynę.

W maszynie zastosowano dwusekcyjny, kombinowany wymiennik ciepła zarówno dla oleju hydraulicznego, jak i płynu chłodzącego silnik. Chłodzenie silnika zostało poprawione dzięki sterowanemu termostatycznie hydraulicznemu napędowi wentylatora w oparciu o temperaturę płynu chłodzącego silnik. Sekcja chłodnicy oleju została dobrana pod kątem oryginalnej pompy hydraulicznej o stałej wydajności.

Wadą tego układu jest to, że ze względu na to, iż chłodzenie silnika jest regulowane termostatycznie, a układu hydraulicznego nie, przepływ powietrza przez wymiennik ciepła zależy całkowicie od temperatury silnika. Oznacza to, że zmniejszenie obciążenia cieplnego w wyniku zastąpienia pompy o stałej wydajności jednostką o zmiennej wydajności spowodowało znaczne obniżenie temperatury oleju hydraulicznego – co zazwyczaj jest dobrą rzeczą!

Inżynierowie zablokowali większą część sekcji oleju hydraulicznego w chłodnicy i ponownie przeprowadzili test. Dzięki temu zużycie paliwa wróciło do pierwotnego poziomu, ale nie zaobserwowano znaczącej poprawy.

Wyciągnięto wniosek, że testowana modyfikacja może przynieść niewielkie oszczędności związane ze zmniejszeniem rozmiaru chłodnicy oleju. Ale ponieważ zużycie paliwa było ważniejsze niż jakakolwiek skromna oszczędność w wydajności chłodzenia, pomysł zapłacenia więcej za pompę, która skutkowała utrzymywaniem oleju w niższej temperaturze roboczej – ale zwiększała zużycie paliwa – był nie do pogodzenia dla inżynierów maszyny.

Lesson Learned

Ta historia ilustruje wpływ, jaki temperatura oleju hydraulicznego (a zatem lepkość) może mieć na zużycie paliwa. Aby przypomnieć kluczowe punkty:

• Obciążenie cieplne układu hydraulicznego zostało zmniejszone (zwiększona wydajność) poprzez zastąpienie pompy o stałej wydajności jednostką o zmiennej wydajności;
• Spowodowało to znaczny spadek temperatury roboczej oleju hydraulicznego;
• Wynikający z tego wzrost lepkości oleju hydraulicznego zwiększył zużycie paliwa o znaczącą wartość.

Innymi słowy, jeśli twój olej hydrauliczny jest zbyt gęsty, zapłacisz za to przy pompie paliwowej lub liczniku energii elektrycznej. Jeśli jednak olej jest zbyt rzadki, zapłacisz za niego w warsztacie.

Zakładając, że próbę przeprowadzono w tej samej temperaturze otoczenia dla obu opcji pomp, spadek temperatury oleju hydraulicznego o 30° C (54° F) jest dość znaczny. Może to być częściowo wyjaśnione przez kombinowany wymiennik ciepła zainstalowany w maszynie. Gdy wzrasta lepkość oleju hydraulicznego, silnik pracuje ciężej (spala więcej paliwa), więc wentylator chłodzący (sterowany temperaturą silnika) pracuje ciężej. Oznacza to, że więcej ciepła jest odprowadzane z oleju hydraulicznego i dlatego lepkość oleju hydraulicznego jeszcze bardziej wzrasta. To jest lepkie koło.

Innym wnioskiem z tej historii – która jest istotna dla projektantów maszyn i ludzi, którzy kupują ich maszyny – jest to, że większość projektantów nie traktuje oleju jako kluczowego składnika układu hydraulicznego, którym jest. Lepkość oleju hydraulicznego, wskaźnik lepkości lub optymalna liczba lepkości dla komponentów hydraulicznych w układzie najwyraźniej nie zostały wzięte pod uwagę podczas testu. Nawet po odkryciu, że zużycie paliwa wzrasta wraz ze wzrostem lepkości oleju, i chociaż uznano i rozważano możliwość zmniejszenia zainstalowanej wydajności chłodzenia, najwyraźniej nie rozważono zmiany lepkości oleju, aby dopasować go do wyższej wydajności (a zatem niższej temperatury roboczej) układu. Gdyby bardziej wydajna pompa o istniejącej wydajności chłodzenia została dopasowana do płynu o odpowiedniej lepkości, prawdopodobnie oszczędność paliwa maszyny byłaby wyższa niż w przypadku oryginalnego systemu.

Innymi słowy, projektantom maszyny nie udało się właściwie rozważyć wszystkich czterech stron tego, co nazywam Diamentem wydajności mocy maszyny hydraulicznej.

Diament wydajności mocy

Sprawność mocy oznacza stosunek mocy wychodzącej do mocy wchodzącej. Dziewięćdziesiąt kW z 100 kW na wejściu to sprawność 90%. Dziewięćdziesiąt kW na wejściu 110 kW to sprawność 82%. A 90 kW na wejściu 120 kW to sprawność 75%. Należy pamiętać, że we wszystkich trzech przypadkach moc wyjściowa pozostaje taka sama: 90 kW. Tylko, że moc wejściowa – a więc zużycie paliwa lub energii elektrycznej przez główny napęd wymagany do jej uzyskania – ciągle rośnie!

Kwadranty diamentu sprawności maszyny hydraulicznej są ze sobą powiązane. Zmiana którejkolwiek z nich wpływa na symetrię diamentu.

Cztery strony Diamentu Efektywności Energetycznej maszyny hydraulicznej są ze sobą powiązane; zmiana którejkolwiek z nich wpływa na symetrię diamentu.

Efektywność Projektowana odzwierciedla „natywną” efektywność sprzętu wybranego do systemu. Ten sprzęt obejmuje liczbę obecnych urządzeń zużywających energię, takich jak zawory proporcjonalne, regulatory przepływu i zawory redukujące ciśnienie. Obejmuje on również straty „zaprojektowane” przez wymiary i konfigurację wszystkich niezbędnych przewodów: rur, węży, złączek i rozdzielaczy.

Po przeciwnej stronie diamentu, Zainstalowana Wydajność Chłodnicza, jako procent ciągłej mocy wejściowej, powinna odzwierciedlać zaprojektowaną lub natywną wydajność systemu hydraulicznego. Innymi słowy, im niższa sprawność natywna, tym większa zainstalowana wydajność chłodnicza.

Przyległą do zainstalowanej wydajności chłodniczej jest temperatura powietrza otoczenia, w której pracuje maszyna hydrauliczna. Ma to bezpośredni wpływ na temperaturę oleju w układzie hydraulicznym, która w dużym stopniu określa lepkość oleju, uzupełniając Diament wydajności mocy.

Konstruktor maszyny nie ma kontroli nad temperaturą powietrza otoczenia – chociaż musi wiedzieć, jaki jest jej zakres. Ale może (a przynajmniej powinien) określić pozostałe trzy zmienne: wydajność projektową, zainstalowaną wydajność chłodniczą i lepkość oleju. Jak wynika z obrazowego przedstawienia Diamentu Efektywności Energetycznej (oraz powyższego studium przypadku), żadna z tych zmiennych nie może być rozpatrywana w oderwaniu od pozostałych.

Patrząc na Diament Efektywności Energetycznej z perspektywy właściciela maszyny, warto docenić, że nawet po zaprojektowaniu, zbudowaniu i napełnieniu maszyny olejem, sprawność projektowa, zainstalowana moc chłodnicza i temperatura powietrza to ruchome cele – ruchome cele, które wpływają na lepkość oleju roboczego, a tym samym na zużycie energii.

Możliwość zmiany temperatury otaczającego powietrza, szczególnie jeśli maszyna jest przenoszona pomiędzy miejscami o różnych warunkach klimatycznych, jest dość oczywista. I chociaż sprawność projektowa nie zmienia się, rzeczywista sprawność operacyjna zazwyczaj pogarsza się z czasem na skutek zużycia. Podobnie, mimo że zainstalowana wydajność chłodzenia nie zmienia się w czasie jako procent mocy wejściowej, jej skuteczność może być zmniejszona przez zużycie elementów obwodu chłodzenia oraz – w przypadku wymienników ciepła z nadmuchem powietrza – przez zmiany temperatury powietrza otoczenia i wysokości.

Więc wprowadzenie maszyny hydraulicznej w jej „złoty punkt” wydajności wymaga przemyślanej konstrukcji. Utrzymanie jej tam wymaga, aby zmiany zmiennych zależnych były ograniczone do minimum. W obu przypadkach Diament wydajności mocy może być pomocny zarówno dla projektantów maszyn jak i właścicieli sprzętu hydraulicznego w zrozumieniu zadania.

Brendan Casey ma ponad 26 lat doświadczenia w konserwacji, naprawach i remontach mobilnego i przemysłowego sprzętu hydraulicznego. Aby uzyskać więcej informacji na temat zmniejszenia kosztów operacyjnych i zwiększenia czasu sprawności sprzętu hydraulicznego, odwiedź jego stronę internetową pod adresem www.HydraulicSupermarket.com.

.