Требования к гидравлическим жидкостям
Смазывающие и антиизносные характеристики
Рабочие жидкости должны образовывать на всех движущихся частях постоянно присутствующую масляную пленку. Масляная пленка может разрушаться из-за высокого давления, недостаточного подвода масла, его низкой вязкости, медленных или чрезмерно быстрых скоростей скольжения. В результате появляются задиры и нарушение стандартных допусков, которые, например, для гидрораспределителей находятся в диапазоне 8-10 мкм.
Наряду с износом из-за задиров, возможен также износ в результате усталости и коррозии.
— Износ вследствие истирания возникает при использовании загрязненных или недостаточно отфильтрованных рабочих жидкостей (загрязнения в виде твердых частиц металла, шлака, песка и т.д., которые проникают между соприкасающимися деталями). При высоком значении скорости потока износ могут вызывать и чужеродные вещества, захваченные жидкостью.
— Усталостный износ вызывают кавитационные процессы в жидкости. Усиленный износ может быть следствием присутствия воды в рабочей жидкости.
— Во время длительных простоев гидроприводов и применения неподходящих рабочих жидкостей может появиться коррозионный износ. Фактор влажности вызывает появление коррозии на поверхностях скольжения, что ведет к усиленному износу гидравлических компонентов.
Вязкость
Вязкость является важнейшей характеристикой при выборе рабочей жидкости.
Вязкость позволяет определить, будет ли рабочая жидкость при заданной температуре текучая или густая, будет ли трение между слоями жидкости незначительным или большим. В системе СИ вязкость измеряется в мм2/с, она изменяется с изменением температуры. Зависимость вязкости от температуры на диаграмме с двойным логарифмическим масштабом по оси вязкости выглядит в виде прямой линии.
Для определения областей применения гидропривода важно принимать во внимание указанные в документации изготовителей компонентов допустимые границы изменения вязкости.
Индекс вязкости
При колебаниях температуры даже в больших пределах рабочая жидкость не должна становиться «слишком текучей или слишком густой», т.к. при этом изменяются условия дросселирования, и, следовательно, — скорость движения гидродвигателей. Индекс вязкости определяется в соответствии со стандартом DIN ISO 2909. Жидкость с наилучшим индексом вязкости характеризуется линией с наименьшим углом наклона на диаграмме зависимости вязкости от температуры.
Рабочие жидкости с высоким индексом вязкости необходимы для применения, прежде всего, в условиях больших температурных перепадов, например в гидроприводах мобильных машин, автомобилей и самолетов.
Зависимость вязкости от давления
Вязкость рабочих жидкостей изменяется при повышении давления. При давлениях свыше 200 бар это обстоятельство необходимо учитывать в процессе проектировании гидропривода. При давлении около 400 бар вязкость уже удваивается.
Совместимость с различными материалами
Рабочие жидкости должны хорошо совмещаться с другими используемыми в гидроприводах материалами, например, для подшипников, уплотнений, окраски и т.д. Это действительно также и для случая, когда рабочая жидкость по тем или иным причинам может вытекать из гидравлической установки и воздействовать на электропроводку, механические части конструкции и т.д.
Стабильность сдвига
В процессе дросселирования в гидроаппаратах рабочая жидкость механически нагружается: поток жидкости «срезается». Этот процесс ограничивает срок службы рабочей жидкости.
Если в рабочую жидкость введены присадки, улучшающие индекс вязкости, ее чувствительность к срезу увеличивается. Допустимая нагрузка на срез в гидроаппаратах и насосах приводит к временному падению вязкости, которая, однако, затем снова нормализуется. Если же напряжение среза приводит к разрушению присадок, предшествующее значение вязкости более не восстанавливается. Это приводит к постоянному снижению вязкости.
Термическая стабильность
В процессе эксплуатации гидропривода рабочая жидкость может нагреваться (по возможности не выше 80 °С). При остановке жидкость снова охлаждается. Такие повторяющиеся процессы оказывают влияние на срок службы рабочей жидкости. В этой связи многие гидроприводы оснащаются теплообменниками — устройствами нагрева и охлаждения, которые поддерживают эксплуатационную температуру на постоянном уровне.
При этом достигается стабилизация вязкости и увеличение срока службы рабочей жидкости. Отрицательным аспектом являются высокие расходы на установку / приобретение теплообменников и высокие эксплуатационные расходы (электроэнергия для нагрева и вода / воздух для охлаждения).
Антиокислительная стабильность
На процесс старения минеральных масел оказывают влияние его взаимодействие с кислородом (окисление), нагрев, воздействие света и катализ. Повышенное поглощение кислорода, кроме того, активизирует коррозионные процессы в элементах конструкции. Минеральные масла с высоким уровнем сопротивляемости старению содержат ингибиторы окисления, которые предотвращают быстрое поглощение кислорода.
Медь, свинец, бронза, латунь и сталь имеют особенно высокий каталитический эффект и влияют на срок службы рабочей жидкости.
Эти материалы или их комбинации применяются в гидравлических компонентах.
Незначительная сжимаемость
Находящийся в рабочей жидкости воздух определяет ее степень сжатия. Это оказывает влияние на точность позиционирования гидроприводов. В процессе управления гидроприводами без обратной связи или с обратной связью сжимаемость снижает быстродействие. Если большие объемы, находящиеся под давлением, быстро разгружаются, возникают удары в гидросистеме. Сжимаемость рабочей жидкости определяется коэффициентом, который зависит от типа жидкости, увеличивается с ростом температуры и уменьшается с повышением давления.
В качестве контрольной величины для минеральных масел при теоретических расчетах можно принимать коэффициент сжимаемости от 0,7 до 0,8 % на каждые 100 бар. Для воды этот коэффициент составляет 0,45 % на каждые 100 бар.
Сжимаемость значительно возрастает, если вместе с жидкостью перемещаются воздушные пузырьки. Из-за ошибок в выборе размеров бака, его конструкции или варианта подключения трубопроводов может быть затруднено отделение воздуха (деаэрация) от рабочей жидкости, что приводит к значительному ухудшению коэффициента сжимаемости. Дальнейшие негативные последствия — появление шума, резких движений и сильного нагрева в гидросистеме (см. также эффект Дизеля).
Под эффектом Дизеля понимают самовоспламенение воздушно-газовой смеси. Если минеральное масло, содержащее много мелких воздушных пузырьков, быстро сжимается в условиях высокого давления, пузырьки нагреваются так сильно, что может возникнуть эффект самовоспламенения. Таким образом, возникает высокое местное давление и повышение температуры, которые могут повредить уплотнения гидравлических компонентов. При этом также снижается срок службы рабочей жидкости.
Незначительное тепловое расширение
Если рабочая жидкость нагревается в условиях атмосферного давления, ее объем увеличивается. Когда в гидросистеме имеются большие заполняемые объемы, необходимо принимать во внимание эксплуатационные температуры.
Пример:
Объем минерального масла увеличивается на 0,7 % на каждые 10 °С повышения температуры.
Малое пенообразование
Воздушные пузырьки, всплывающие в баке на поверхность, образуют пену. Процесс пенообразова-ния может быть минимизирован путем правильной установки сливных линий в баке и оптимизации его конструкции, например за счет установки соответствующих перегородок. Минеральные масла содержат химические присадки, уменьшающие пенообразование. Склонность к пенообразованию возрастает в результате старения рабочей жидкости, ее загрязненности и наличия конденсата.
Если насос засасывает вспененное масло, это может привести к серьезным неисправностям в гидросистеме и к быстрому отказу насоса.
Малое поглощение воздуха и его хорошее отделение
Рабочая жидкость должна по возможности меньше поглощать и транспортировать воздух и с другой стороны — хорошо отдавать захваченный воздух. На эти способности оказывают позитивное влияние соответствующие химические присадки. Отделение воздуха или степень сепарации определяется в соответствии со стандартом DIN 51381. При этом измеряется время в минутах, необходимое для отделения находящихся в масле воздушных пузырьков до величины 0,2 % объема. Способность отделения воздуха ухудшается с повышением температуры рабочей жидкости.
Высокая точка кипения и низкое давление пара
Чем выше точка кипения применяемой рабочей жидкости, тем выше может быть эксплуатационная температура гидропривода.
Высокая плотность
Под плотностью рабочей жидкости понимают отношение ее массы к занимаемому объему. Плотность должна быть как можно выше, чтобы иметь возможность передавать большую мощность при равных объемах рабочей жидкости. Для гидростатических приводов это менее существенно, чем для гидродинамических. Плотность минеральных масел находится в пределах от 0,86 до 0,9 г/см3.
Плотность используется при преобразовании кинематической вязкости в динамическую и наоборот.
На практике эталонной температурой для плотности является 15 °С.
Хорошая теплопроводность
Выделяющееся в насосах, гидроаппаратах, гидромоторах, гидроцилиндрах и трубопроводах тепло должно переноситься рабочей жидкостью в бак. Последний через свои стенки частично отдает подведенное тепло в окружающую среду. Если излучающей способности стенок недостаточно, должны предусматриваться дополнительные теплообменные устройства (маслоохладители) во избежание перегрева гидросистемы.
Хорошие диэлектрические характеристики (непроводимость)
Рабочая жидкость должна по возможности не передавать электрическую энергию (например, при коротком замыкании, обрыве кабеля и т.д.). Во многих случаях электромагниты находятся в рабочей жидкости с целью улучшения теплоотвода и повышения демпфирования якоря.
Негигроскопичность
Для гидроприводов, работающих на минеральном масле, необходимо принимать меры, исключающие возможность попадания воды в масло, поскольку в этом случае возникают неполадки вплоть до полного выхода из строя. Вода может проникать в гидросистему через уплотнения гидроцилиндров и приводных валов, через негерметичные водяные охладители и в форме конденсата, образующегося на стенках бака из-за повышенной влажности воздуха. Вода (конденсат) может быть и в свежей рабочей жидкости, заливаемой в бак. Если содержание воды превышает 0,2 % от общего объема, необходимо заменить рабочую жидкость. Отделить воду от рабочей жидкости можно с помощью сепараторов или центрифуг во время работы гидропривода (в основном для больших гидросистем).
В гидроприводах, работающих на открытом воздухе в условиях высокой влажности и возможно дождя, после воздушного фильтра может устанавливаться воздухоосушитель, который осушает засасываемый в бак объем воздуха.
Поскольку вода имеет более высокий удельный вес, она скапливается на дне бака и может удаляться в периоды простоя гидропривода (минеральное масло и вода не образуют химического соединения и могут снова разделяться).
Когда в баке имеется индикатор уровня на полную глубину, воду можно отчетливо видеть. Если осторожно открыть сливной кран, то сначала сливается вода.
В крупных баках в наиболее низких точках часто устанавливают сигнализаторы воды, выдающие предупредительный электросигнал. Определение текущей степени присутствия воды на практике невозможно.
Негорючесть
Гидроприводы должны работать также в нагретых или горячих зонах предприятий, в условиях производства с открытым огнем или при очень высокой температуре. Для снижения риска, связанного с возможностью растрескивания трубопроводов или шлангов, применяются рабочие жидкости с высокой точкой воспламенения, трудновоспламеняющи-еся или вообще негорючие.
Нетоксичность жидкости, паров и продуктов утилизации
Для предотвращения ущерба здоровью или окружающей среде, необходимо принимать во внимание соответствующие рекомендации производителей рабочих жидкостей.
Хорошие антикоррозионные свойства
Изготовители насосов, гидроаппаратов, гидромоторов, гидроцилиндров испытывают свою продукцию на минеральных маслах, обеспечивающих коррозионную защиту. Способность минеральных масел противостоять коррозии обеспечивается за счет химических присадок, которые образуют на металлических поверхностях водоотталкивающую пленку и при старении минерального масла нейтрализуют продукты распада, вызывающие коррозию.
После испытаний гидравлических компонентов оставшееся в них масло снова возвращается в бак. Пленка минерального масла, остающаяся на всех компонентах, защищает от коррозии вплоть до ввода в эксплуатацию. При длительном складировании компонентов необходимо осуществлять специальные мероприятия по коррозионной защите (например, с помощью консервирующего масла).
Невыделение клейких субстанций
Во время длительных периодов простоя, при эксплуатации, нагреве и охлаждении и в результате процессов старения рабочие жидкости не должны образовывать веществ, которые вызывают «склеивание» подвижных частей гидравлических компонентов.
Хорошая фильтруемость
Рабочая жидкость в период эксплуатации гидропривода постоянно фильтруется напорными или сливными фильтрами (или в обоих направлениях) с целью удаления абразивных частиц. В зависимости от типа рабочей жидкости и ее вязкости выбираются размер фильтра и фильтрующий материал.
С увеличением вязкости рабочей жидкости увеличивается перепад давлений на фильтроэлементе (Ар), поэтому требуется установка большего по размерам фильтра. При использовании агрессивных рабочих жидкостей должны применяться соответствующие фильтрующие среды.
Содержащиеся в рабочей жидкости присадки не должны задерживаться фильтрами. Если в гидросистемах применяются фильтры тонкой очистки (5 мкм и менее), рабочая жидкость должна проверяться на допустимость использования в таких условиях.
Совместимость и взаимозаменяемость с другими гидравлическими жидкостями
Из-за переконфигурации или переустановки производственных линий, изменившихся условий окружающей среды или из-за введения новых законов может потребоваться замена рабочей жидкости. В этих случаях необходимо запросить производителей рабочих жидкостей и гидравлических компонентов на предмет возможности такой замены.
Кроме того, все гидравлические компоненты, уплотнения и шланги должны быть очищены от остатков старой рабочей жидкости. Неправильное проведение работ может полностью вывести гидропривод из строя.
Образование шлама
Рабочая жидкость и введенные в нее присадки не должны разлагаться в течение всего времени эксплуатации и на должны приводить к образованию шлама (эффект залипания).
«Дружественное» по отношению к оператору обслуживание
Высокие затраты на обслуживание требуют рабочие жидкости, которые, например, после длительного простоя должны быть тщательно перемешаны перед последующей эксплуатацией. Рабочие жидкости, у которых присадки быстро теряют свои свойства, должны чаще подвергаться химической и / или физической проверке.
Проверка рабочих жидкостей должна производиться наиболее простым способом. В сомнительных случаях поставщики рабочих жидкостей и фильтров могут произвести анализ проб и принять решение о целесообразности замены рабочей жидкости.
Экологическая допустимость
Наилучшим способом защиты окружающей среды при эксплуатации гидроприводов являются их квалифицированное конструирование, правильные сборка, эксплуатация и техобслуживание.
Применение экологически чистых жидкостей не является заменой вышеуказанных мероприятий.
Экологически чистые рабочие жидкости должны удовлетворять следующим требованиям:
— Хорошая биологическая способность к разложению
— Легкость утилизации
— Нетоксичность для рыб
— Нетоксичность для бактерий
— Отсутствие водозагрязнения
— Отсутствие загрязнения пищевых продуктов
— Отсутствие загрязнения пищи для скота
— Отсутствие раздражения кожи и слизистой оболочки в результате воздействия рабочих жидкостей в твердом, жидком илигазообразном состоянии
— Отсутствие запаха или, по крайней мере, приятный запах.
До сих пор не существуют нормативные документы или законодательные акты, устанавливаюшие свойства «экологически безвредных» (или лучше—«экологически приемлемых») рабочих жидкостей.
Цены и доступность
В основном должны применяться рабочие жидкости, сравнительно недорогие и широко распространенные. Это особенно важно для областей применения гидроприводов, не являющихся промышленными.
Трудно дать полную оценку таким жидкостям. Выбор рабочей жидкости с экономической точки зрения может быть осуществлен только после анализа эксплуатационных расходов и последующих затрат. Важно иметь информацию о физических и химических свойствах рабочих жидкостей, чтобы при разработке конструкции, замене или ремонте избегать ошибок.