Radna tekućina

Zadaće radne tekućine

U pneumatici je radni medij zrak koji se uzima iz okoline i u nju vraća. U hidraulici je radna tekućina skup i složen proizvod koji istodobno obavlja više zadaća, a njezino stanje izravno određuje vijek trajanja crpki, ventila i brtvi. Iskustvo iz održavanja pokazuje da je velika većina kvarova hidrauličkih sustava povezana upravo s radnom tekućinom — njezinom pogrešnom vrstom, pregrijavanjem ili onečišćenjem.

• Prijenos energije. Tekućina prenosi tlak i protok od crpke do izvršnog elementa. Za to mora biti što manje stlačiva i ne smije se pjeniti.
• Podmazivanje. Klizne površine u crpki, klipovi razvodnika i brtve cilindra rade u tankom sloju ulja. Tekućina mora stvarati otporan mazivi film i pri visokom tlaku i maloj brzini klizanja.
• Hlađenje. Svi gubici u sustavu — trenje, prigušivanje, curenja — pretvaraju se u toplinu. Tekućina je odvodi do spremnika i hladnjaka.
• Brtvljenje. U zazorima između klipa i kućišta razvodnika, ili između zubi i kućišta crpke, sloj ulja djeluje kao brtva. Što je ulje viskoznije, to su unutarnja curenja manja.
• Zaštita od korozije. Aditivi u ulju štite čelične i obojene metale od hrđe i kemijskog napada, osobito kada u sustav uđe vlaga.
• Odvođenje nečistoća. Tekućina odnosi čestice trošenja i zrak iz mjesta nastanka do filtra i spremnika, gdje se izdvajaju.

Iz tih zadaća slijede i zahtjevi na tekućinu: prikladna viskoznost u cijelom području radnih temperatura, dobra mazivost, otpornost na oksidaciju i starenje, sposobnost brzog izdvajanja zraka i vode, mala sklonost pjenjenju, podnošljivost s brtvama i bojom, a po potrebi i teška zapaljivost ili biorazgradivost.

Vrste hidrauličkih tekućina

Najveći dio industrijskih i mobilnih sustava radi s mineralnim uljima, dobivenima rafinacijom nafte, kojima se dodaju aditivi. Oznake prema njemačkoj normi DIN 51524 u pogonima su i dalje najraširenije, a međunarodna norma ISO 6743-4 koristi usporedive oznake (HL, HM, HV).

Teško zapaljive tekućine koriste se ondje gdje bi zapaljenje mineralnog ulja bilo katastrofalno: u rudnicima, ljevaonicama, kovačnicama, na strojevima za tlačni lijev i u zrakoplovstvu. Dijele se na četiri skupine:

• HFA — emulzija ulja u vodi ili vodena otopina, s više od 80 % vode (najčešće oko 95 %). Nije zapaljiva, ali slabo podmazuje i traži posebno izvedene crpke i niže tlakove.
• HFB — emulzija vode u ulju, s približno 40 % vode. U praksi se danas rijetko koristi.
• HFC — vodena otopina polimera (voda i glikol), obično s 35 do 50 % vode. Najraširenija teško zapaljiva tekućina; traži provjeru podnošljivosti s brtvama i bojama te redovito praćenje udjela vode.
• HFD — sintetičke bezvodne tekućine, npr. esteri fosforne kiseline. Dobro podmazuju i podnose visoke temperature, ali su skupe i često nepodnošljive sa standardnim brtvama.

Biorazgradive tekućine upotrebljavaju se u poljoprivredi, šumarstvu, na vodi i u zaštićenim područjima, gdje curenje ne smije trajno onečistiti tlo ili vodu. Oznake su HETG (trigliceridi, tj. biljna ulja, npr. repičino), HEES (sintetički esteri), HEPG (poliglikoli) i HEPR (polialfaolefini i srodni ugljikovodici). Biljna ulja HETG jeftina su, ali brže stare i slabo podnose visoke temperature; sintetički esteri HEES skuplji su, ali stabilniji i danas najčešći izbor.

Viskoznost

Viskoznost je mjera unutarnjeg trenja tekućine, tj. otpora koji se javlja kada se slojevi tekućine gibaju jedan prema drugome. Ona je najvažnije svojstvo pri izboru hidrauličkog ulja.

Dinamička viskoznost η povezuje tangencijalno naprezanje u tekućini s gradijentom brzine među slojevima. Jedinica je paskal-sekunda (Pa·s); u praksi se češće koristi mPa·s. Kinematička viskoznost ν omjer je dinamičke viskoznosti i gustoće:

ν = η / ρ

Jedinica kinematičke viskoznosti je m²/s, a u hidraulici se koristi mm²/s (stariji naziv je centistok, cSt; 1 cSt = 1 mm²/s). Hidraulička ulja razvrstavaju se po kinematičkoj viskoznosti pri 40 °C u razrede ISO VG (engl. viscosity grade): ISO VG 22, 32, 46, 68, 100… Broj razreda je srednja kinematička viskoznost pri 40 °C u mm²/s, a dopušteno odstupanje je ±10 %. Ulje HLP 46 tako pri 40 °C ima između 41,4 i 50,6 mm²/s. Uz gustoću od oko 870 kg/m³ to odgovara dinamičkoj viskoznosti od približno 40 mPa·s.

Viskoznost ulja vrlo se jako mijenja s temperaturom: hlađenjem ulje postaje gušće, zagrijavanjem rjeđe. Tu ovisnost opisuje indeks viskoznosti (VI) — bezdimenzijski broj koji je to veći što se viskoznost manje mijenja s temperaturom. Standardna mineralna ulja HLP imaju VI oko 100, a ulja HVLP 140 i više.

Slika 5.3 pokazuje koliko je ta ovisnost izražena. Ulje HLP 46 s indeksom viskoznosti oko 100 pri 0 °C ima gotovo 600 mm²/s, pri 40 °C 46 mm²/s, a pri 80 °C samo oko 11 mm²/s. Omjer između hladnog starta zimi i vrućeg pogona ljeti veći je od 50 : 1. Ulje HVLP istog razreda na hladnom je znatno rjeđe, a na toplom nešto gušće, pa je sustav manje osjetljiv na promjene temperature.

Obje krajnosti su štetne. Previsoka viskoznost (hladno ulje) povećava gubitke tlaka u vodovima, otežava usisavanje crpke i uzrokuje kavitaciju, a ventili reagiraju sporije. Preniska viskoznost (pregrijano ulje) povećava unutarnja curenja, smanjuje volumetrijski stupanj djelovanja crpke i debljinu mazivog filma, pa raste trošenje. Proizvođači crpki zato propisuju dopušteno područje viskoznosti, primjerice od oko 10 do 1 000 mm²/s, s optimumom između 16 i 36 mm²/s; točne vrijednosti uvijek treba uzeti iz tehničke dokumentacije konkretne crpke.

Stlačivost ulja

U osnovnim proračunima ulje se smatra nestlačivim. To je dobra približnost, ali ne i potpuna istina: pod tlakom se volumen ulja malo smanjuje. Tu osobinu opisuje modul stlačivosti K (engl. bulk modulus), definiran kao omjer porasta tlaka i relativnog smanjenja volumena:

K = Δp / (ΔV / V)   →   ΔV = V · Δp / K

Za mineralno ulje bez zraka modul stlačivosti iznosi približno 1,4 · 10⁹ Pa, odnosno 14 000 bar. To znači da se volumen ulja smanjuje za oko 0,7 % na svakih 100 bar tlaka. Za usporedbu, modul stlačivosti čelika je više od 100 puta veći, a zraka pri atmosferskom tlaku oko 14 000 puta manji. Modul stlačivosti ulja nije stalan: raste s tlakom, a pada s porastom temperature.

Stlačivost ima tri praktične posljedice. Prvo, pri naglom porastu tlaka dio protoka crpke troši se na „stlačivanje“ ulja u cilindru i vodovima, pa se sila ne javlja trenutačno. Drugo, stlačeni volumen ulja ponaša se kao opruga: nakon prešanja pohranjena energija pri naglom otvaranju razvodnika izaziva udar tlaka i lupanje u vodovima, zbog čega velike preše imaju ventile za postupno rasterećenje (dekompresiju). Treće, stlačivost i elastičnost crijeva određuju hidrauličku krutost pogona, a time i točnost pozicioniranja i sklonost titranju u servosustavima.

Zrak i voda u ulju

Ulje uvijek sadrži nešto zraka. Pri atmosferskom tlaku mineralno ulje može otopiti oko 9 % zraka (po volumenu), a topljivost raste s tlakom. Otopljeni zrak ne mijenja svojstva ulja. Problem nastaje kada se zrak izdvoji u obliku mjehurića — kao slobodni zrak ili pjena. To se događa na mjestima naglog pada tlaka: u usisnom vodu crpke, iza prigušnih mjesta i pri povratu ulja u spremnik.

• Već mali udio slobodnog zraka drastično smanjuje modul stlačivosti: sustav postaje „mekan“, cilindar se giba trzajima, a vrijeme porasta tlaka se produljuje.
• Mjehurići koji se u crpki naglo stlače zagrijavaju se toliko da mogu zapaliti uljnu paru (tzv. dizelski efekt). Ulje tamni, stvaraju se talozi i oštećuju brtve.
• Pri urušavanju mjehurića pare ili zraka u crpki nastaje kavitacija: čuje se kao jak, oštar šum, a na metalnim površinama ostavlja rupičasta oštećenja.

Protiv zraka u ulju pomažu dovoljno velik spremnik s pregradom za smirivanje, povratni vod koji završava ispod razine ulja, kratak usisni vod velikog promjera, nepropusni spojevi na usisnoj strani i odzračivanje sustava nakon montaže.

Voda u mineralno ulje ulazi kondenzacijom vlage iz zraka u spremniku, kroz oštećene brtve ili iz hladnjaka. Ona ubrzava starenje ulja, smanjuje mazivost, uzrokuje koroziju i potiče rast mikroorganizama. Veći udio vode ulje zamućuje („mliječno“ ulje). Udio vode u mineralnom ulju treba biti vrlo mali; kao orijentacija često se navodi granica od nekoliko stotina ppm, a točnu vrijednost propisuje proizvođač sustava.

Starenje i čistoća ulja

Starenje ulja je postupna kemijska promjena, ponajprije oksidacija, pri kojoj nastaju kiseline, lakovi i talozi. Brzina starenja jako ovisi o temperaturi. Iskustveno pravilo kaže da se iznad približno 60 °C vijek ulja skraćuje otprilike na pola sa svakih 10 °C povišenja temperature. Starenje ubrzavaju i voda, zrak, čestice metala (bakar, željezo djeluju kao katalizatori) i pregrijavanje u prigušnim mjestima. Staro ulje prepoznaje se po tamnijoj boji, oštrom mirisu, povećanoj kiselosti i promijenjenoj viskoznosti; pouzdana procjena dobiva se laboratorijskom analizom uzorka.

Čistoća ulja opisuje se brojem čvrstih čestica određene veličine u jedinici volumena. Norma ISO 4406 čistoću izražava kodom od tri broja, npr. 18/16/13. Svaki broj je razred broja čestica u jednom mililitru ulja, redom za čestice veće od 4, 6 i 14 µm. Razredi rastu tako da svaki sljedeći razred znači otprilike dvostruko više čestica, pa je ulje s kodom 20/18/15 oko osam puta prljavije od ulja s kodom 17/15/12.

Vrijednosti u tablici su orijentacijske; obvezujuća je vrijednost koju za pojedini element propisuje njegov proizvođač. Važno je i to da novo ulje iz bačve nije čisto — često je prljavije nego što sustav dopušta, pa se u spremnik ulijeva kroz filtar.

Računski prikaz: stlačivanje ulja u preši HP-1

Prikaz računa za koliko se smanji zatvoreni volumen ulja kada tlak poraste za Δp, koliki je zbog toga dodatni hod klipa i koliko vremena crpka treba da taj volumen nadoknadi. Korištene su relacije ΔV = V · Δp / K, Δs = ΔV / A i t = ΔV / Q. Učinak slobodnog zraka možete oponašati smanjenjem modula stlačivosti.

U preši HP-1 klip se nalazi na kraju hoda od 300 mm, pa je u cilindru s klipne strane oko 1,51 l ulja; s tlačnim vodom i crijevom uzmimo ukupno 2 l. Pri porastu tlaka na 160 bar i K = 1,4 · 10⁹ Pa volumen se smanji za 1,14 %, tj. za oko 22,9 cm³. Na površini klipa od 50,27 cm² to znači dodatni hod od približno 4,5 mm prije nego što se puna sila prenese na obradak, a crpka s 22 l/min taj volumen nadoknadi za oko 0,06 s. Ako ulje sadrži slobodni zrak pa efektivni modul stlačivosti padne na, primjerice, 0,7 · 10⁹ Pa, gubitak hoda naraste na više od 9 mm, a porast sile postaje osjetno sporiji i „mekši“.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.