De flesta läsare av den här kolumnen är väl medvetna om att viskositeten hos en kolvätebaserad hydraulisk vätska är omvänt proportionell mot temperaturen. När temperaturen ökar minskar vätskans viskositet och vice versa. Detta är inte en idealisk situation av flera skäl. Faktum är att den ideala hydraulvätskan skulle ha ett viskositetsindex (förändringen av en vätskas viskositet i förhållande till temperaturen) som representeras av en horisontell linje som skär Y-axeln vid 25 centiStokes.

Denna temperatur-viskositet visar att en idealisk hydraulvätska inte skulle uppvisa någon förändring i viskositet oavsett temperatur.

Det finns tyvärr ingen sådan vätska för hydrauliska maskiners effektivitet och livslängd. Och det är osannolikt att en sådan vätska kommer att utvecklas under min livstid. Men om en sådan vätska utvecklades och patenterades skulle dess skapare ha nyckeln till en guldgruva. För närvarande har vi hydraulolja av flera olika kvaliteter. Dessa vätskor har ett högt viskositetsindex, så deras viskositet är mindre känslig för temperaturförändringar än en enkelklassig olja.

Oavsiktliga konsekvenser

Vätskans viskositet är en av de faktorer som avgör om fullfilmssmörjning uppnås och bibehålls. Om belastning och ythastighet förblir konstant, men en förhöjd driftstemperatur gör att viskositeten sjunker under den nivå som krävs för att upprätthålla en hydrodynamisk film, uppstår gränssmörjning; detta skapar skapar skapa möjlighet till friktion och adhesivt slitage.

Å andra sidan finns det ett viskositetsintervall där vätskefriktion, mekanisk friktion och volymmässiga förluster är optimala för hydraulsystemets prestanda. Detta är det viskositetsområde där hydraulsystemet fungerar mest effektivt: det högsta förhållandet mellan utgångseffekt och tillförd effekt.

För att illustrera ovanstående punkt kan man tänka på detta exempel: I strävan efter bättre bränsleförbrukning ersatte tillverkaren av en motordriven, mobil hydraulisk maskin den fasta pumpen som driver maskinens redskap med en enhet med variabelt flöde. Maskinens markdrift använde redan en kolvpump med variabel förflyttning (hydrostatisk transmission), så att uppgradera redskapets hydrauliska krets till en effektivare konfiguration verkade logiskt för maskinens konstruktörer.

När denna modifiering testades blev konstruktörerna chockade över att konstatera att bränsleförbrukningen faktiskt hade ökat med 12 till 15 %! Efter en analys kunde den ökade bränsleförbrukningen tillskrivas en ökning av oljans viskositet till följd av att driftstemperaturen för oljan hade sjunkit med 30 °C. Med andra ord hade den ”tjockare” oljan resulterat i extra motstånd på den hydrostatiska transmissionen som driver markdriften, vilket gjorde att maskinen förbrukade mer bränsle.

Maskinen använde sig av en kombinerad värmeväxlare med två sektioner för både hydraulolja och motorkylmedel. Motorkylningen förbättrades genom en termostatiskt styrd hydraulisk fläktdrift baserad på motorkylvätskans temperatur. Oljekylarsektionen var dimensionerad för den ursprungliga hydraulpumpen med fast förflyttning.

Nackdelen med detta arrangemang är att luftflödet genom den kombinerade värmeväxlaren helt och hållet beror på motortemperaturen på grund av att motorkylningen är termostatstyrd och hydraulsystemet inte är det, vilket gör att luftflödet genom den kombinerade värmeväxlaren beror helt och hållet på motortemperaturen. Detta innebär att minskningen av värmebelastningen genom att ersätta pumpen med fast förskjutning med en enhet med variabel förskjutning resulterade i en betydande minskning av hydrauloljetemperaturen – vilket normalt sett är bra!

Ingenjörerna spärrade av större delen av hydrauloljedelen av kylaren och körde testet igen. Detta återställde bränsleförbrukningen till den ursprungliga nivån, men ingen betydande förbättring kunde ses.

Det drogs slutsatsen att den testade modifieringen skulle kunna resultera i en liten kostnadsbesparing med avseende på en minskning av oljekylarens storlek. Men eftersom bränsleförbrukningen var viktigare än en blygsam besparing av kylkapaciteten var tanken på att betala mer för en pump som resulterade i att oljan hölls vid en lägre driftstemperatur – men ökad bränsleförbrukning – oförsonlig för maskinens ingenjörer.

Lärdom

Denna berättelse illustrerar vilken inverkan hydrauloljetemperaturen (och därmed viskositeten) kan ha på bränsleförbrukningen. För att sammanfatta de viktigaste punkterna:

• Värmelasten på hydraulsystemet minskades (effektiviteten ökade) genom att ersätta en fast pump med en enhet med variabel deplacement;
• Detta resulterade i en betydande sänkning av hydrauloljetemperaturen i drift;
• Den resulterande ökningen av hydrauloljans viskositet ökade bränsleförbrukningen med en betydande mängd.

Med andra ord, om din hydraulolja är för tjock får du betala för det vid bränslepumpen eller elmätaren. Den försiktiga baksidan av detta är dock att om din olja är för tunn, får du betala för det på verkstaden.

Om man antar att detta försök genomfördes vid samma omgivningstemperatur för båda pumpalternativen är en 30° C (54° F) sänkning av hydrauloljetemperaturen ganska anmärkningsvärd. Detta kan delvis förklaras av den kombinerade värmeväxlare som installerats på maskinen. När hydrauloljans viskositet ökar arbetar motorn hårdare (förbränner mer bränsle), så kylfläkten (som styrs av motortemperaturen) går hårdare. Detta innebär att mer värme avges från hydrauloljan och att hydrauloljans viskositet därför ökar ytterligare. Det är en viskös cirkel.

En annan sak att ta med sig från den här historien – som är relevant för maskinkonstruktörer och de människor som köper deras maskiner – är att de flesta konstruktörer inte behandlar oljan som den nyckelkomponent i hydraulsystemet som den är. Hydrauloljans viskositet, viskositetsindex eller det optimala viskositetstalet för de hydrauliska komponenterna i systemet beaktades tydligen inte under testet. Detta tyder på att maskinens normala bränsleförbrukning bara var en lycklig tillfällighet.

Även efter att ha upptäckt att bränsleförbrukningen ökar med oljans viskositet, och trots att möjligheten att minska den installerade kylkapaciteten erkändes och övervägdes, övervägde man tydligen inte att ändra oljans viskositet för att matcha systemets högre verkningsgrad (och därmed lägre driftstemperatur). Om den effektivare pumpen med den befintliga kylkapaciteten hade matchats med en olja med lämplig viskositet är det troligt att maskinens bränsleekonomi skulle ha varit bättre än det ursprungliga systemet.

Med andra ord misslyckades maskinens konstruktörer med att på ett korrekt sätt beakta alla fyra sidorna av det som jag kallar för The Power Efficiency Diamond för en hydraulisk maskin.

The Power-Efficiency Diamond

Effektivitet är förhållandet mellan uttagen effekt och intagen effekt. Nittio kW ut från 100 kW in är en verkningsgrad på 90 %. Nittio kW ut från 110 kW in är en verkningsgrad på 82 %. Och 90 kW ut från 120 kW in är en verkningsgrad på 75 %. Observera att utgångseffekten är densamma i alla tre fallen: 90 kW. Det är bara det att ingångseffekten – och därmed bränsle- eller elförbrukningen för den drivkraft som krävs för att få fram den – fortsätter att öka!

Kvadranterna i en hydraulisk maskins effektutnyttjandediamant har alla ett inbördes samband. Om någon av dem ändras påverkas diamantens symmetri.

De fyra sidorna av en hydraulisk maskins diamant för effektutnyttjande är alla inbördes relaterade; om någon av dem ändras påverkas diamantens symmetri.

Designed Efficiency återspeglar den ”naturliga” effektiviteten hos den hårdvara som valts för systemet. Denna hårdvara innefattar antalet förekommande kraftslösande anordningar, t.ex. proportionella ventiler, flödeskontroller och tryckreducerande ventiler. Den omfattar också förluster som ”konstruerats in” genom dimensionerna och konfigurationen av alla nödvändiga ledare: rör, slangar, kopplingar och grenrör.

På den motsatta sidan av diamanten bör installerad kylkapacitet, som en procentandel av kontinuerlig tillförd effekt, avspegla hydraulsystemets konstruerade eller naturliga verkningsgrad. Med andra ord, ju lägre den ursprungliga verkningsgraden är, desto större är den installerade kylkapaciteten.

Närmast den installerade kylkapaciteten står den omgivande lufttemperaturen i vilken hydraulmaskinen arbetar. Detta påverkar direkt hydrauliksystemets driftoljetemperatur, som till stor del bestämmer oljans viskositet, vilket kompletterar effektverkningsdiamanten.

En maskinkonstruktör har ingen kontroll över den omgivande lufttemperaturen – även om hon måste veta vad detta intervall är. Men hon kan (eller bör åtminstone) bestämma de andra tre variablerna; konstruktionseffektivitet, installerad kylkapacitet och oljeviskositet. Som den grafiska framställningen av Power Efficiency Diamond illustrerar (och som fallstudien ovan visar) kan ingen av dessa variabler betraktas isolerat.

Om man tittar på Power Efficiency Diamond från en maskinägares perspektiv är det bra att inse att även efter det att maskinen har konstruerats, byggts och fyllts med olja är konstruktionseffektiviteten, den installerade kylkapaciteten och den omgivande lufttemperaturen rörliga mål – rörliga mål som påverkar driftoljans viskositet och därmed energiförbrukningen.

Möjligheten till variation i den omgivande lufttemperaturen, särskilt om maskinen flyttas mellan platser med olika klimatförhållanden, är ganska uppenbar. Och även om den konstruktionsmässiga verkningsgraden inte varierar, försämras den faktiska driftseffektiviteten vanligtvis med tiden på grund av slitage. På samma sätt, även om den installerade kylkapaciteten inte förändras över tiden som en procentandel av den tillförda effekten, kan dess effektivitet minskas genom slitage av kylkretsens komponenter och – när det gäller luft-blåsvärmeväxlare – genom variationer i den omgivande lufttemperaturen och höjden.

För att få en hydraulisk maskin i sin effekteffektivitet kräver det en välinformerad konstruktion. För att hålla den där krävs att förändringarna i de beroende variablerna hålls till ett minimum. I båda fallen kan The Power Efficiency Diamond vara till hjälp för både maskinkonstruktörer och ägare av hydraulisk utrustning för att förstå uppgiften.

Brendan Casey har mer än 26 års erfarenhet av underhåll, reparation och översyn av mobil och industriell hydraulisk utrustning. För mer information om hur du kan minska driftskostnaderna och öka drifttiden för din hydrauliska utrustning, besök hans webbplats på www.HydraulicSupermarket.com.

.