Hydraulik-dagarna 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Hydraulvätskans inverkan på
systemförluster
Karl-Erik Rydberg
LiU/IEI/Flumes
E-mail: [email protected]
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Viktiga egenskaper hos hydraulvätskor
¾
Smörjegenskaper, smörjfilm med hög bärighet
¾
Viskositet, viskositetsindex (multigrade)
¾
Hög oxidationsstabilitet – lång livslängd
¾
Stort temperaturintervall
¾
Värmekapacitet
¾
Miljöanpassad – klara miljökrav även efter anv.
¾
God filtrerbarhet
¾
Pris
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Typisk specifikation för hydraulvätskor
Viskositet
och VI har
störst
inverkan på
systemförlusterna
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Miljöanpassade hydraulvätskor-syntetiska estrar
¾ Omättade estrar
¾ Viskositet, VG 10, 15, 22, 32, 46, 68, …
¾ Viskositetsindex: VI ≈ 200
¾ Värmekapacitivitet: väsentligt högre än för mineraloljor
¾ Begränsad stabilitet, känsliga för vatten (viskositet och
syratal ökar)
¾ Kräver tillsatser
¾ Mättade estrar
¾ Viskositet, VG 10, 15, 22, 32, 46, 68, …
¾ Viskositetsindex: VI = 150-180
¾ Värmekapacitivitet: väsentligt högre än för mineraloljor
¾ Extremt hög stabilitet
¾ Klarar väsentligt större temperaturområde än mineraloljor
¾ Klarar högt vatteninnehåll (<= 400 ppm) utan att
smörjegenskaper och viskositet påverkas nämnvärt
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Hydraulvätskans viskositet
Kinematisk viskositet: ν [m2/s]
Dynamisk viskositet: η = ρ·ν [Ns/m2]
Exempel: “ISO VG 46”, innebär att vätskans
kinematiska medelviskositet är 46 cSt vid 40 oC.
Viskositetens inverkan på förluster i hydraulsystem
1
Laminär spaltläckning:
ql ∝
Friktionskrafter i tätspalter:
Ff ∝ η
Tryckförluster vid laminär strömning:
Δp ∝ η
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
η
Teori för tryckförluster i ledningar
Tryckförlust i rak ledning med längden L, diametern d och
strömningshastigheten vm (= q/A)
Δp f =
λ ⋅L⋅ρ v
d
⋅
2
m
2
Friktionsfaktor, λ:
λ lam
λ turb
64
=
Re
0 ,136
= 4
Re
Laminär str.:
Re < 2300
2300 < Re < 10 5
Δp f ,l
Turbulent str.: Δp f ,t
Karl-Erik Rydberg
Reynolds tal :
d ⋅ ρ ⋅v d ⋅v
Re =
=
32 ⋅ L ⋅η
=
⋅ vm
2
d
0,068 ⋅ L 0.75 0.25 1.75
=
⋅ ρ ⋅η ⋅ v m
1.25
d
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
η
ν
η = dynamisk
visk., [Ns/m2]
Laminär och turbulent tryckförlust i rak ledning
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Viskositets-diagram för hydraulvätskor
loglog(ν + c) = n ⋅ log(T ) + k
ν = kinematic visc.
1 cSt = 1ּ10-6 m2/s
Hydraulic oil
ISO VG 46
46 cSt at 40oC
VI = Viscosity index
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Test-rigg för mätning av tryckförluster i
ledningar, Flumes
qp
Valveblock
qs
P1
q = qp - qs
Karl-Erik Rydberg
Hose, 15 m, ø = 10 mm
)(
np
)(
T1
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
P2
T2
Loadvalve
Beräknade och uppmätta tryckförluster –
Mineralolja, VG 46, VI = 98
Hose pressure drop, [bar/15 m]
Hose diam. = 10 mm, viscosity = 30-46 cSt, VI = 98
- Measurements
Re = 2300
T = 40 oC → ν = 46 cSt
Re = 2300
Max pressure drop, 46 cSt
Max pressure drop, 30 cSt
T = 50 oC → ν ≈ 30 cSt
Flow velocity, [m/s]
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Tryckförluster i slang (φ=10 mm, L=15 m)
Fluid temp. 40oC
VG 46
VG 32
VG 12
VG 3
Flow velocity, [m/s]
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Viskositet s f a temperatur (6 fluider)
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Pumpflöde och volymetrisk verkningsgrad
Fluid temp. 50oC
Volumetric pump
efficiency:
ηv, p
Karl-Erik Rydberg
Δp
= 1 − Cv
n p ⋅ν ⋅ ρ
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Optimal oljeviskositet för axialkolv-pumpar
Modellbaserade verkningsgradsberäkningar
Hydro-mechanical efficiency
Volumetric efficiency
75 cSt
Overall efficiency
Optimal viskositet:
η opt
12 cSt
Overall efficiency
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
pp
Cv
=
⋅
np
kv
Verkningsgrader för pump och ledning
qp
)(
np
Hose, 15 m, ø = 10 mm P2
P1
Loadvalve
Ledningsverkningsgrad:
ηledn
(vm = 5.0 m/s)
ηt,p
Pumpverkningsgrad:
ηtot
ηt , p = η v , p ⋅η hm , p
Max efficiency at 8 cSt
qp = 24 l/min, dledn = 10 mm
Karl-Erik Rydberg
ηledn
Δpledn
= 1−
pp
Totalverkningsgrad:
Δp = 21 MPa
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
ηtot = ηt , p ⋅ηledn
Verkningsgrader för pump och ledning
qp
)(
np
P1
Hose, 15 m, ø = 16 mm P2
ηledn
Loadvalve
(vm = 5.0 m/s)
ηt,p
ηtot
Max efficiency at 10 cSt
qp = 60 l/min, dledn = 16 mm
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Δp = 21 MPa
Viskositetsindex – Inverkan på pumpverkningsgrad
VI = 200
VI = 100
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Hydraulvätskans skjuvstabilitet – Degussa RohMax
Mineralolja med “anti-wear” tillsatser
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Pumpverkningsgrad s f a VI – Degussa RohMax
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Hur välja hydraulvätska?
¾
Några viktiga kriterier för val av hydraulvätska
¾
Systemtryck, pump/motor-varvtal, typ av
hydraulmaskiner och ledningsdimensioner krävs för
att specificera lämplig viskositet.
¾
Krav på viskositetsindex – Mobilhydraulik: VI = 150200.
¾
VG 10, 22, 32 eller 46? I mobila applikationer är
optimalt VG beroende av VI-värdet.
¾
Hög skjuvstabilitet. Säkerställer att viskositet och VI
påverkas marginellt vid skjuvning av hydraulvätskan.
¾
Vatten- och luft-avskiljning.
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Slutsatser – framtidens hydraulvätskor
™
Krav på framtidens hydraulvätskor
minimera förlusterna i hydraulsystem
™ vara miljöanpassade – med avseende på
nedbrytbarhet och giftighet
™ hög stabilitet – syratal/hydrolys, viskositet,
viskositetsindex, skjuvning
™ vattenresistens, luftavskiljning
™ stort temperaturområde
™
Den hydraulvätska som bäst klarar dessa krav är –
syntetiska mättade estrar
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
Framtidens lösning av friktionsproblem i
hydraulmaskiner?
Koeningsegg-Agera-R
V8-motor med lågfriktionsbeläggning på cylinderfoder och sänkt
smörjoljeviskositet ökar maxeffekten c:a 30 hästkrafter.
Lågfriktionsbeläggning av en nano-komposit (utvecklad av Applied
Nano Surfaces, ANS) som binder olja och ger extremt låg friktion
(friktionskoefficient = 0,04).
Karl-Erik Rydberg
Hydraulik-dagar 2012
Linköpings universitet, 17-18 april
!
K
C
A
T