Cei mai mulți cititori ai acestei rubrici sunt conștienți de faptul că vâscozitatea unui fluid hidraulic pe bază de hidrocarburi este invers proporțională cu temperatura. Pe măsură ce temperatura crește, vâscozitatea fluidului scade și viceversa. Aceasta nu este o situație ideală din mai multe motive. De fapt, fluidul hidraulic ideal ar avea un indice de vâscozitate (modificarea vâscozității unui fluid în funcție de temperatură) reprezentat de o linie orizontală care interceptează axa Y la 25 centiStokes.

Acest indice de vâscozitate în funcție de temperatură arată că un fluid hidraulic ideal nu ar prezenta nicio modificare a vâscozității indiferent de temperatură.

Din păcate, nu există un astfel de fluid pentru eficiența și longevitatea mașinilor hidraulice. Și este puțin probabil ca un astfel de fluid să fie dezvoltat în timpul vieții mele. Dar dacă un astfel de fluid ar fi dezvoltat și brevetat, creatorul său ar deține cheia unei mine de aur. Deocamdată, avem ulei hidraulic de mai multe grade. Aceste fluide au un indice de vâscozitate ridicat, astfel încât vâscozitatea lor este mai puțin sensibilă la schimbările de temperatură decât un ulei monograd.

Consecințe neintenționate

Vâscozitatea fluidului este unul dintre factorii care determină dacă se obține și se menține o lubrifiere cu peliculă completă. Dacă sarcina și viteza suprafeței rămân constante, dar temperatura de funcționare ridicată face ca vâscozitatea să scadă sub cea necesară pentru a menține o peliculă hidrodinamică, are loc o lubrifiere la limită; acest lucru creează posibilitatea apariției frecării și a uzurii adezive.

Pe de altă parte, există un interval de vâscozitate în care frecarea fluidului, frecarea mecanică și pierderile volumetrice sunt optime pentru performanța sistemului hidraulic. Acesta este intervalul de vâscozitate în care sistemul hidraulic va funcționa cel mai eficient: cel mai mare raport dintre puterea de ieșire și puterea de intrare.

Pentru a ilustra punctul de mai sus, luați în considerare acest exemplu: În încercarea de a îmbunătăți consumul de combustibil, producătorul unei mașini hidraulice mobile cu motor a înlocuit pompa cu cilindree fixă care alimenta atașamentul mașinii cu o unitate cu cilindree variabilă. Transmisia la sol a mașinii folosea deja o pompă cu piston cu cilindree variabilă (transmisie hidrostatică), astfel încât modernizarea circuitului hidraulic al atașamentului la o configurație mai eficientă a părut o progresie logică de către inginerii proiectanți ai mașinii.

Când această modificare a fost testată, inginerii au fost șocați să constate că, de fapt, consumul de combustibil a crescut cu 12 până la 15%! În urma analizei, creșterea consumului de combustibil a fost atribuită unei creșteri a vâscozității uleiului provocată de o scădere cu 30°C a temperaturii uleiului de funcționare. Cu alte cuvinte, uleiul „mai gros” dusese la o rezistență suplimentară a transmisiei hidrostatice care acționa transmisia terestră, ceea ce făcuse ca utilajul să consume mai mult combustibil.

Mașina folosea un schimbător de căldură combinat, cu două secțiuni, atât pentru uleiul hidraulic, cât și pentru lichidul de răcire al motorului. Răcirea motorului a fost îmbunătățită de un ventilator hidraulic controlat termostatic în funcție de temperatura lichidului de răcire a motorului. Secțiunea de răcire a uleiului a fost dimensionată pentru pompa hidraulică originală cu cilindree fixă.

Inconvenientul acestui aranjament este că, din cauza faptului că răcirea motorului este controlată termostatic, iar sistemul hidraulic nu, debitul de aer prin schimbătorul de căldură combinat depinde în întregime de temperatura motorului. Acest lucru înseamnă că reducerea sarcinii termice prin înlocuirea pompei cu cilindree fixă cu o unitate cu cilindree variabilă a dus la o reducere semnificativă a temperaturii uleiului hidraulic – ceea ce în mod normal este un lucru bun!

Inginerii au blocat cea mai mare parte a secțiunii de ulei hidraulic a răcitorului și au efectuat din nou testul. Acest lucru a readus consumul de combustibil la nivelul inițial, dar nu s-a observat nicio îmbunătățire semnificativă.

S-a ajuns la concluzia că modificarea testată ar putea duce la o mică economie de costuri în ceea ce privește reducerea dimensiunii răcitorului de ulei. Dar, consumul de combustibil fiind mai important decât orice economie modestă în ceea ce privește capacitatea de răcire, ideea de a plăti mai mult pentru o pompă care a dus la menținerea uleiului la o temperatură de funcționare mai scăzută – dar la creșterea consumului de combustibil – a fost ireconciliabilă pentru inginerii mașinii.

Lecția învățată

Această poveste ilustrează impactul pe care temperatura uleiului hidraulic (și, prin urmare, vâscozitatea) îl poate avea asupra consumului de combustibil. Pentru a recapitula punctele cheie:

• Solicitarea termică a sistemului hidraulic a fost redusă (eficiența a crescut) prin înlocuirea unei pompe fixe cu o unitate cu debit variabil;
• Aceasta a dus la o scădere semnificativă a temperaturii uleiului hidraulic de funcționare;
• Creșterea rezultată a vâscozității uleiului hidraulic a crescut consumul de combustibil cu o cantitate semnificativă.

Cu alte cuvinte, dacă uleiul hidraulic este prea gros, veți plăti pentru aceasta la pompa de combustibil sau la contorul de electricitate. Totuși, reversul atenționării este că, dacă uleiul dvs. este prea subțire, veți plăti pentru el la atelierul de reparații.

Să presupunem că acest test a fost efectuat la aceeași temperatură ambiantă pentru ambele opțiuni de pompare, o scădere de 30° C (54° F) a temperaturii uleiului hidraulic este destul de remarcabilă. Acest lucru poate fi explicat, în parte, de schimbătorul de căldură combinat instalat pe mașină. Pe măsură ce vâscozitatea uleiului hidraulic crește, motorul lucrează mai mult (arde mai mult combustibil), astfel încât ventilatorul de răcire (controlat de temperatura motorului) funcționează mai mult. Acest lucru înseamnă că se disipează mai multă căldură din uleiul hidraulic și, prin urmare, vâscozitatea uleiului hidraulic crește și mai mult. Este un cerc vâscos.

O altă concluzie din această poveste – care este relevantă pentru proiectanții de mașini și pentru cei care le cumpără mașinile – este că majoritatea proiectanților nu tratează uleiul ca pe o componentă cheie a sistemului hidraulic, așa cum este. Vâscozitatea uleiului hidraulic, indicele de vâscozitate sau numărul optim de vâscozitate pentru componentele hidraulice din sistem se pare că nu au fost luate în considerare în timpul testului. Acest lucru sugerează că consumul de combustibil normal, de referință, al mașinii a fost doar o coincidență fericită.

Chiar după ce s-a descoperit că consumul de combustibil crește odată cu vâscozitatea uleiului și deși a fost recunoscută și luată în considerare posibilitatea de a reduce capacitatea de răcire instalată, se pare că nu s-a luat în considerare schimbarea vâscozității uleiului pentru a se potrivi cu eficiența mai mare (prin urmare, temperatura de funcționare mai mică) a sistemului. Dacă pompei mai eficiente cu capacitatea de răcire existentă i s-ar fi potrivit un fluid cu o vâscozitate adecvată, este probabil că economia de combustibil a mașinii ar fi fost superioară sistemului original.

Cu alte cuvinte, proiectanții mașinii nu au reușit să ia în considerare în mod corespunzător toate cele patru laturi a ceea ce eu numesc Diamantul eficienței energetice a unei mașini hidraulice.

Diamantul eficienței energetice

Eficiența energetică înseamnă raportul dintre puterea de ieșire și puterea de intrare. Nouăzeci de kW ieșiți din 100 kW intrați reprezintă o eficiență de 90%. Nouăzeci de kW de la 110 kW de intrare reprezintă o eficiență de 82%. Iar 90 kW la ieșire de la 120 kW la intrare reprezintă o eficiență de 75%. Rețineți că, în toate cele trei cazuri, puterea de ieșire rămâne aceeași: 90 kW. Doar că puterea de intrare – și, prin urmare, consumul de combustibil sau de electricitate al motorului principal necesar pentru a o obține – continuă să crească!

Cuadranții Diamantului eficienței energetice al unei mașini hidraulice sunt toți interrelaționați. Schimbarea oricăruia dintre ele afectează simetria diamantului.

Cele patru laturi ale Diamantului eficienței energetice al unei mașini hidraulice sunt toate legate între ele; dacă se schimbă oricare dintre ele, simetria diamantului este afectată.

Eficiența proiectată reflectă eficiența „nativă” a hardware-ului ales pentru sistem. Acest hardware include numărul de dispozitive consumatoare de energie prezente, cum ar fi supapele proporționale, regulatoarele de debit și supapele de reducere a presiunii. Ea include, de asemenea, pierderile „proiectate” prin dimensiunile și configurația tuturor conductoarelor necesare: țevi, furtunuri, fitinguri și colectoare.

De partea opusă a diamantului, Capacitatea de răcire instalată, ca procent din puterea de intrare continuă, ar trebui să reflecte eficiența proiectată sau nativă a sistemului hidraulic. Cu alte cuvinte, cu cât eficiența nativă este mai mică, cu atât mai mare este capacitatea de răcire instalată.

Învecinată cu capacitatea de răcire instalată este temperatura aerului ambiant în care funcționează mașina hidraulică. Aceasta influențează în mod direct temperatura uleiului de funcționare a sistemului hidraulic, care determină în mare măsură vâscozitatea uleiului, completând Diamantul eficienței energetice.

Un proiectant de mașini nu are control asupra temperaturii aerului ambiant – deși trebuie să știe care este acest interval. Dar ea poate (sau cel puțin ar trebui) să determine celelalte trei variabile; eficiența de proiectare, capacitatea de răcire instalată și vâscozitatea uleiului. După cum ilustrează reprezentarea picturală a Diamantului Eficienței Energetice (și după cum demonstrează studiul de caz de mai sus), niciuna dintre aceste variabile nu poate fi luată în considerare în mod izolat.

Să privim Diamantul Eficienței Energetice din perspectiva proprietarului unei mașini, este util să apreciem că, chiar și după ce mașina a fost proiectată, construită și umplută cu ulei, eficiența de proiectare, capacitatea de răcire instalată și temperatura aerului ambiant sunt ținte în mișcare – ținte în mișcare care afectează vâscozitatea uleiului de funcționare și, astfel, consumul de energie.

Posibilitatea de variație a temperaturii aerului ambiant, în special dacă mașina este mutată între locații cu condiții climatice diferite, este destul de evidentă. Și, deși eficiența de proiectare nu variază, eficiența reală de funcționare se deteriorează de obicei în timp din cauza uzurii. În mod similar, deși capacitatea de răcire instalată nu se modifică în timp ca procent din puterea de intrare, eficacitatea acesteia poate fi redusă de uzura componentelor circuitului de răcire și – în cazul schimbătoarelor de căldură cu aer comprimat – de variația temperaturii aerului ambiant și a altitudinii.

Din acest motiv, aducerea unei mașini hidraulice în „punctul optim” al eficienței energetice necesită o proiectare informată. Menținerea ei acolo necesită ca modificarea variabilelor dependente să fie menținută la minimum. În ambele cazuri, The Power Efficiency Diamond (Diamantul eficienței energetice) poate fi util atât proiectanților de mașini, cât și proprietarilor de echipamente hidraulice pentru a înțelege sarcina de îndeplinit.

Brendan Casey are peste 26 de ani de experiență în întreținerea, repararea și revizia echipamentelor hidraulice mobile și industriale. Pentru mai multe informații despre reducerea costurilor de operare și creșterea duratei de funcționare a echipamentelor hidraulice, vizitați site-ul său la www.HydraulicSupermarket.com.

.