Održavanje hidrauličkih sustava i održavanje u Industriji 4.0

Ulje je dio stroja

U hidraulici ulje nije samo nositelj energije: ono podmazuje, hladi, brtvi zazore i odnosi nečistoću. Zazori u zupčastoj crpki, između klipa razvodnika i kućišta ili u servorazvodniku iznose nekoliko mikrometara do nekoliko desetaka mikrometara. Čestica veličine zazora zaglavi se i struže plohe, a nove čestice od trošenja ubrzavaju trošenje dalje. Zbog toga se u struci ponavlja iskustvena tvrdnja da najveći dio kvarova hidrauličkih sustava ima uzrok u stanju ulja.

Ulje se kvari na tri načina. Onečišćenje česticama dolazi iz okoline (kroz odzračnik spremnika, brisače klipnjača, pri dolijevanju), od trošenja dijelova i iz novog, nefiltriranog ulja. Voda ulazi kondenzacijom vlage u spremniku, kroz brtve i pri pranju stroja; smanjuje mazivost, uzrokuje koroziju i ubrzava starenje ulja. Starenje (oksidacija) je kemijska promjena ulja pod utjecajem temperature, kisika, vode i metala kao katalizatora: ulje tamni, raste mu kiselost, stvaraju se talozi i lakovi koji lijepe klipove ventila.

Ulje HLP 46 u preši HP-1 je mineralno hidrauličko ulje s dodatcima protiv trošenja i oksidacije, viskoznosti 46 mm²/s pri 40 °C. Ulje se ne mijenja „po osjećaju" nego po analizi ili po planu koji uzima u obzir radnu temperaturu. Novo ulje se uvijek dolijeva kroz filtar (agregat za filtriranje i dolijevanje), jer ni ulje iz nove bačve nije dovoljno čisto za ventile.

Uzorkovanje i analiza ulja

Analiza je onoliko dobra koliko je dobar uzorak. Uzorak se uzima:

• dok sustav radi i ulje je na radnoj temperaturi, da čestice budu jednoliko raspoređene;
• iz ventila za uzorkovanje na vodu s turbulentnim strujanjem, najčešće u povratnom vodu prije filtra ili u tlačnom vodu, a ne s dna spremnika gdje se talože mulj i voda;
• nakon ispiranja ventila (ispusti se prvih nekoliko stotina mililitara), u čistu bočicu namijenjenu uzorcima, bez dodira s rukom i prašinom;
• uvijek na istom mjestu i na isti način, kako bi se rezultati mogli uspoređivati kroz vrijeme;
• s oznakom stroja, mjesta, datuma, sati rada i vrste ulja.

Razred čistoće prema ISO 4406 izražava se s tri broja, npr. 18/16/13. Brojevi su kodovi za broj čestica u 1 ml ulja većih od 4, 6 i 14 µm. Svaki kod odgovara rasponu koji se prema sljedećem kodu udvostručuje: kod 13 znači 40 do 80 čestica, kod 16 znači 320 do 640 čestica, kod 18 znači 1 300 do 2 500 čestica u mililitru. Smanjenje koda za jedan znači otprilike upola manje čestica.

Laboratorijska analiza uz čistoću obično daje: viskoznost pri 40 °C (odstupanje više od ±10 % od nazivne upozorava na miješanje s drugim uljem ili na starenje), sadržaj vode (Karl-Fischerovom metodom, u ppm), kiselinski broj (porast upućuje na oksidaciju), sadržaj metala trošenja (željezo, bakar, aluminij, krom) i stanje dodataka. Porast bakra upućuje na trošenje brončanih dijelova crpke, porast željeza na trošenje zupčanika i cilindara, a silicij na prašinu izvana. Mineralno ulje otapa tek nekoliko stotina ppm vode; iznad granice zasićenja ulje postaje mutno, a slobodna voda skuplja se na dnu spremnika. Brza provjera u pogonu je test pucketanja: kap ulja na vrućoj ploči pucketa ako ima vode.

Ulje se mijenja kad analiza pokaže da se svojstva ne mogu vratiti filtriranjem: viskoznost izvan granica, visok kiselinski broj, istrošeni dodatci, emulzija s vodom. Pri zamjeni se ispušta i ulje iz cilindara i vodova koliko je moguće, spremnik se očisti od mulja, zamijene se ulošci filtara, a novo ulje se ulijeva kroz filtar. Miješanje različitih ulja se izbjegava.

Filtri, crijeva i akumulatori

Filtri se ocjenjuju omjerom β: β_x je omjer broja čestica većih od x µm prije i poslije filtra. Filtar s β₁₀ = 200 zadrži 99,5 % čestica većih od 10 µm. HP-1 ima filtar 10 µm u povratnom vodu. Uložak se mijenja prema pokazivaču zaprljanosti (mehaničkom ili električnom), a ne po vremenu, jer uložak koji je davno trebao biti zamijenjen otvara obilazni ventil i propušta nefiltrirano ulje. Pokazivač se očitava pri radnoj temperaturi, jer hladno i gusto ulje daje lažno visok pad tlaka. Pri zamjeni se ne smije unijeti nečistoća u kućište, a uložak se zbrinjava kao otpad onečišćen uljem. Zaboravlja se i odzračni filtar spremnika kroz koji spremnik „diše" pri svakom hodu cilindra; začepljen ili bez uloška unosi prašinu izravno u ulje.

Crijeva stare i kad se ne koriste. Uobičajena preporuka (npr. prema DIN 20066) je da se hidraulično crijevo koristi najviše šest godina, uključujući najviše dvije godine skladištenja, ako proizvođač ili uvjeti rada ne traže kraći rok; zato svaka montirana cijev nosi oznaku datuma izrade. Crijevo se odmah mijenja pri: vidljivom pletivu ili žicama, pukotinama i ispucanom vanjskom sloju, mjehurima, pregibima i spljoštenju, propuštanju na priključku, pomaknutom priključku, krutosti i uvijanju. Crijevo se ne smije uvijati pri montaži, mora imati dovoljan polumjer savijanja i ne smije trljati o rubove. Na mjestima gdje bi puknuto crijevo moglo ozlijediti ljude ugrađuju se zaštitne košuljice i sigurnosna užad protiv udaranja.

Hidraulički akumulatori su tlačne posude s plinom. Kod akumulatora s mjehom kao u HP-1 (4 l, predtlak dušika 90 bar) provjerava se predtlak plina: dok je strana ulja rasterećena (tlak ulja nula), na plinski ventil se stavi uređaj za punjenje i provjeru s manometrom. Orijentacijski se predtlak prvi put provjerava tjedan dana nakon puštanja u rad, zatim nakon nekoliko mjeseci, a potom jednom godišnje ako je stabilan. Pad predtlaka smanjuje korisni volumen akumulatora, a kod akumulatora s mjehom mjeh pri potpunom pražnjenju udara o ventil na dnu i puca. Puni se samo dušikom, nikad kisikom ili zrakom, jer se pri kompresiji ulje i kisik mogu zapaliti i eksplodirati. Akumulatori podliježu propisima o tlačnoj opremi: ovisno o umnošku tlaka i volumena (za HP-1 najveći tlak 160 bar × 4 l = 640 bar·l) propisani su ispitivanja prije puštanja u rad i povremeni pregledi, a dokumentacija akumulatora čuva se uz stroj.

Prije svakog zahvata na hidrauličkom sustavu s akumulatorom akumulator se mora isprazniti preko sigurnosnog bloka s ventilom za ispuštanje, a manometrom provjeriti da je tlak ulja nula. Akumulator koji je ostao pod tlakom pokreće cilindar i nakon isključivanja crpke.

Curenja i radna temperatura

Vanjska curenja su vidljiva: kapanje na spojevima, vlažni priključci, lokva pod agregatom. Svako curenje je ujedno mjesto kroz koje nečistoća ulazi natrag, ekološki problem i opasnost od klizanja i požara. Curenje se otklanja kad se nađe; pri tome se najprije ispusti tlak. Spojevi sa steznim prstenom ne pritežu se pod tlakom, a za spojeve s brtvenim prstenom (O-prsten, meka brtva u čelu) mijenja se brtva, a ne samo pritegne matica. Unutarnja curenja nisu vidljiva: preko brtve klipa, preko klipa razvodnika, u istrošenoj crpki. Otkrivaju se po padu brzine, po padu tlaka, po grijanju i po klizanju cilindra pod teretom.

Radna temperatura ulja je jedan od najvažnijih pokazatelja stanja. Uobičajeno je da ulje radi između 40 i 60 °C. Ispod te temperature viskoznost je velika i crpka može kavitirati pri pokretanju; iznad nje ulje brže stari, brtve se brže stvrdnjavaju, a viskoznost pada pa rastu unutarnja curenja. Za starenje mineralnog ulja koristi se iskustveno pravilo izvedeno iz kemijske kinetike: svakih 10 °C iznad 60 °C vijek ulja se otprilike prepolovi.

Svaki gubitak u hidraulici postaje toplina. Kad crpka HP-1 dobavlja 22,0 l/min preko sigurnosnog ventila na 160 bar, npr. dok cilindar na kraju hoda drži silu, sva hidraulička snaga od 5,88 kW pretvara se u toplinu. Samo ulje u spremniku od 63 l (masa oko 55 kg, specifični toplinski kapacitet oko 1,9 kJ/(kg·K)) tada se, ne računajući čelik, zagrijava brzinom od oko 3,4 °C u minuti. Spremnik površinom predaje okolini tek dio te topline. Zato preše s dugim držanjem sile imaju rasterećenje crpke u srednjem položaju razvodnika (P spojen na T), akumulator za držanje tlaka uz isključenu crpku, crpku promjenjive dobave ili hladnjak ulja. Uzroci pregrijavanja u pogonu su zaprljan hladnjak, prenizak nivo ulja, stalno otvoren sigurnosni ventil zbog pogrešno namještenog tlaka i istrošena crpka.

Dijagnostika kvarova hidrauličkog sustava

Dijagnostika počinje osjetilima i manometrom: kakav je zvuk crpke, kolika je temperatura, kakvo je ulje u kontrolnom staklu (bistro, mutno, pjenušavo), kolika je razina, što pokazuju manometri na crpki i na cilindru. Zatim se mjeri: tlak, protok, temperatura i vrijeme hoda, i uspoređuje s vrijednostima novog sustava. Za HP-1 to su 160 bar, 22,0 l/min, 73 mm/s pri izvlačenju i 120 mm/s pri uvlačenju. Zato je važno zapisati te vrijednosti pri puštanju u rad.

Primjer iz HP-1: nakon dvije godine rada cilindar pri izvlačenju postiže 66 mm/s umjesto 73 mm/s. Iz brzine slijedi stvarni protok Q = v · A = 66 mm/s · 5 027 mm² = 19,9 l/min. Uz teorijskih 23,2 l/min volumetrički stupanj djelovanja crpke pao je s 0,95 na 0,86. Uz to je temperatura ulja 8 °C viša nego pri puštanju u rad, što se slaže s većim unutarnjim curenjem u crpki. Crpka se planira za zamjenu u sljedećem zastoju, prije nego što postane bučna i prije nego što čestice od trošenja onečiste cijeli sustav.

Od preventivnog prema prediktivnom održavanju

Preventivno održavanje radi po vremenu: ulje svake dvije godine, uložak svakih šest mjeseci, crijeva svakih šest godina. Takav plan je jednostavan, ali dijelove često mijenja prerano, a ponekad i prekasno, jer stvarno trošenje ovisi o opterećenju, temperaturi i čistoći. Održavanje prema stanju i prediktivno održavanje mjere pokazatelje trošenja i zahvat planiraju kad pokazatelj prijeđe granicu ili kad model predvidi da će je prijeći.

Osnovni alat za razumijevanje je krivulja P–F (slika 8.10). Nakon početka oštećenja stanje stroja najprije se pogoršava neprimjetno. U točki P (engl. potential failure) oštećenje postaje mjerljivo: pojavi se porast čestica u ulju, promjena vibracija ili temperature. U točki F (engl. functional failure) stroj više ne obavlja funkciju. Razmak P–F je vrijeme koje održavanje ima na raspolaganju za planirani zahvat. Što je metoda osjetljivija, to se P otkriva ranije: analiza čestica i vibracija otkrivaju trošenje crpke mjesecima prije buke, a buka i pregrijavanje tek tjednima ili danima prije kvara.

Senzori stanja, nadzor na daljinu i digitalni blizanac

U Industriji 4.0 hidraulički agregat dobiva senzore stanja koji trajno mjere ono što je tehničar prije mjerio povremeno:

• tlak na crpki i u komorama cilindra (davači tlaka): radni tlak, tlačni udari, vrijeme porasta tlaka;
• temperatura ulja u spremniku i na izlazu iz crpke; porast razlike upućuje na unutarnje curenje;
• razina ulja: pad razine znači vanjsko curenje;
• brojač čestica (optički senzor) daje razred ISO 4406 u stvarnom vremenu, a senzor vlažnosti ulja relativnu zasićenost vodom;
• diferencijalni tlak na filtru: trend zaprljanja uloška;
• vibracije na kućištu crpke i elektromotora (akcelerometar): ležajevi, kavitacija, neporavnatost spojke;
• protok i struja elektromotora: iz omjera se računa stupanj djelovanja crpke.

Senzori se sve češće spajaju preko IO-Link sučelja, koje uz mjernu vrijednost prenosi i dijagnostičke podatke samog senzora. Upravljač ili rubno računalo (engl. edge) prikupljaju podatke, računaju pokazatelje (npr. vrijeme hoda, energiju po ciklusu, trend temperature) i šalju ih u sustav za nadzor. Nadzor na daljinu omogućuje da proizvođač stroja ili servisna služba prati stanje stotina strojeva, dobije upozorenje kad pokazatelj prijeđe granicu i dođe na intervenciju s pravim rezervnim dijelom. Pritom je potrebno riješiti informacijsku sigurnost: pristup samo za ovlaštene, šifrirana veza i odvajanje upravljačke mreže od uredske mreže.

Digitalni blizanac je matematički model stroja koji se izvršava usporedno sa stvarnim strojem i hrani istim ulaznim podacima. Za HP-1 model zna da pri 22,0 l/min cilindar mora izvlačiti brzinom 73 mm/s, da pri 160 bar mora dati 80,4 kN i da ulje u zadanom ciklusu mora doseći određenu temperaturu. Kad se mjerena brzina odvoji od modelirane, kao u primjeru s 66 mm/s, blizanac ne javlja samo „nešto nije u redu", nego procjenjuje koji parametar modela treba promijeniti da bi se rezultati poklopili, u tom slučaju volumetrički stupanj djelovanja crpke. To je dijagnostika utemeljena na modelu: zaključuje se iz fizike sustava, a ne samo iz statistike prošlih kvarova. Blizanac služi i za ispitivanje promjena prije nego što se provedu na stroju, npr. kako bi drukčiji ciklus ili hladnjak utjecali na temperaturu ulja.

Računski prikaz: interval zamjene ulja i radna temperatura

Prikaz primjenjuje pravilo prepolovljenja: vijek ulja pri temperaturi T iznad 60 °C je L = L₆₀ · 2^{−(T − 60)/10}, gdje je L₆₀ vijek pri 60 °C i nižoj temperaturi. Ispod 60 °C prikaz ne produljuje vijek, jer tada na trajanje ulja jače utječu voda i čestice. Iz vijeka i sati rada godišnje računa se interval zamjene i godišnji trošak ulja, uključujući rad i zbrinjavanje po zamjeni. Stvarni interval uvijek potvrđuje analiza ulja.

Za zadane vrijednosti (L₆₀ = 8 000 h kao pretpostavka, radna temperatura 70 °C, 2 000 h rada godišnje, spremnik HP-1 od 63 l, ulje 4 €/l, 150 € po zamjeni za rad, ispiranje i zbrinjavanje) vijek ulja iznosi 4 000 h, interval zamjene 24 mjeseca, a godišnji trošak 201 €. Pri 80 °C vijek pada na 2 000 h, ulje se mijenja svake godine i trošak se udvostručuje na 402 €; pri 90 °C ulje traje samo 1 000 h. Hladnjak ili rasterećenje crpke koji temperaturu spuste s 80 na 60 °C učetverostručuju vijek ulja, a istodobno štite brtve i crijeva, što se u ovom računu ne vidi, ali je u pogonu često vrednije od uštede na ulju.

Ključni pojmovi

Provjeri se

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