Hydraulvätskans inverkan på systemförluster - Hydraulikdagar 2012
K-E Rydberg
Hydraulvätskans inverkan på systemförluster
Karl-Erik Rydberg
Inst. för ekonomisk och industriell utveckling, Linköpings universitet
Email. [email protected]
Sammanfattning
Skjuvstabiliteten är synnerligen viktig för hydraulsys-
Hydrauliken är, beroende på sin höga effekttäthet
och styrbarhet, den dominerande energiöverföringstekniken i tunga fordon och arbetsmaskiner. Tryckmediet är tveklöst den viktigaste komponenten i hydraulsystemet eftersom den svarar för energiöverföringen i systemet, från pump till cylinder/motor.
Utöver själva energitransporten ska hydraulvätskan
dessutom ge fullgod smörjning och kylning. Speciellt i
mobila applikationer är det viktigt att minimera
hydraulikens miljöpåverkan.
Denna artikel behandlar främst, hur hydraulvätskans
viskositet, viskositetsindex och skjuvstabilitet påverkar
förlusterna i hydraulsystem. Såväl mätresultat som
teoretiska beräkningar presenteras. Krav på hydraulvätskor och deras fysikaliska prestanda diskuteras.
temets funktion och energieffektivitet.
En specifikation av önskvärda egenskaper (låga
friktions- och strömningsförluster, lång livslängd, mm)
hos en hydraulvätska för en given applikation är relativt
trivialt att fastställa. Det stora problemet är att hitta den
vätska som bäst uppfyller specifikationen.
2 Hydraulvätskors viskositet och viskositetsindex
Konventionella mineraloljor är fortfarande den mest
använda vätskan i hydraulsystem. I mobila system är
oljans viskositetsgrad oftast VG32 eller VG46 (ISO VG,
alltså 32 respektive 46 cSt vid 40 oC). En ren mineralolja
har viskositetsindex (VI) ≈ 100, vilket kan vara tillräckligt
för en inomhus-applikation men i ett mobilt system krävs
väsentligt högre VI (150-200).
Nyckelord
I takt med skärpta miljökrav och lagstiftning har
Hydraulvätskor, viskositet, viskositetsindex, energi-
miljöanpassade hydraulvätskor utvecklats. Bland de
effektivitet, miljöanpassning.
1
miljöanpassade vätskorna är det främst syntetiska estrar
som uppvisar mycket goda egenskaper i mobila applika-
Introduktion
tioner. Deras specifika egenskaper redovisas i Figur 1.
Hydraulvätskans fysikaliska egenskaper definieras av
dess viskositet, viskositetsindex, kompressionsmodul,
densitet, smörjande egenskaper, skjuvstabilitet, livslängd
mm. De ur förlustsynpunkt viktigaste vätskeparametrarna
är viskositet, viskositetsindex och skjuvstabilitet eftersom
dessa påverkar filmuppbyggnaden i tätspalter (smörjförmågan) samt läckflöde och tryckförluster i systemet.
Viskositeten styr förlusterna i komponenter och ledningssystem – hög viskositet ger låga läckförluster men hög
Fig. 1: Omättade och mättade syntetiska estrars egenskaper.
friktion i hydraulmaskiner och stora tryckförluster i
ledningar.
Hydraulvätskans
stabilitet
och
livslängd
2.1 Viskositetsberoende förluster i pump och ledning
påverkas i hög grad av basvätskan och de ingående
tillsatserna. Basvätskan har oftast mycket hög skjuv-
På ämnesområdet Fluida och mekatroniska system vid
stabilitet medan tillsatserna snabbt kan brytas ner vid höga
Linköpings universitet drivs ett ”Miljöolje-projekt” som
skjuvhastigheter och försämra vätskans egenskaper.
främst behandlar viskositetens inverkan på förlusterna i ett
1
Hydraulvätskans inverkan på systemförluster - Hydraulikdagar 2012
hydraulsystem. Hittills har främst tryckförluster i slangar
För pumpen kan dess optimala dynamiska viskositet
mätts vid användning av olika oljor (VG 3, 12, 32 och 46).
beräknas enligt sambandet:
Mätningar av tryckfallet i en 15 m lång slang (se Figur
ηopt =
2) visar att samtliga vätskor följer den konventionella
teorin för laminär respektive turbulent rörströmning, enligt
Δp f ,t
pp
np
⋅
Cv
, där Cv och kv är maskinkonst., pp=
kv
pumptryck och np = pumpvarvtal.
sambanden:
Δp f ,l =
K-E Rydberg
32 ⋅ L ⋅η
⋅ vm för laminär strömning och
d2
2.2 Viskositetsindex inverkan på förluster
Viskositetsindex (VI) är ett mått på hur mycket
viskositeten ändras vid en viss temperaturändring.
0,068⋅ L 0.75 0.25 1.75
=
⋅ ρ ⋅η ⋅ vm för turbulent str.
d 1.25
Vid stora temperaturvariationer hos hydraulvätskan har
VI-värdet stor inverkan på systemets totalverkningsgrad.
Moderna mobil-vätskor har VI = 150.200.
3
Unika egenskaper hos mättade estrar
Syntetiska mättade estrar har vid långtidstester visat
sig vara extremt stabila. En orsak till hydraulvätskornas
olika beteende är skillnader i skjuvstabilitet. Mättade
estrar är helt okänsliga mot skjuvning, emedan enkla
mineraloljor ger betydande luftutlösning i returoljan.
Fri luft som sugs in i pumpen sänker dess verkFig. 2: Tryckförluster i slang (φ=10 mm, L=15 m) s f a
ningsgrad och temperaturen ökar. Detta i kombination
med kavitationseffekter ger ökat komponentslitage och en
strömningshastighet för 6 vätskor.
accelererande oxidation av hydraulvätskan.
I mätresultaten ses en mjuk övergång från laminära till
turbulenta strömningsförluster, vilket fås från teorin om
4
den totala tryckförlusten beräknas som maxvärdet av den
Hur väljs den optimala hydraulvätskan?
För att välja lämplig hydraulvätska måste man utgå
laminära respektive turbulenta tryckförlusten.
från en detaljerad specifikation av det aktuella systemet.
Det traditionella antagandet att släta rör har enbart
Viktiga data är - typer av komponenter som ingår i
laminär strömning upp till det kritiska Reynoldstalet, Re =
systemet, tryck- och varvtalsområde för hydraulmaskiner,
2300, överensstämmer alltså inte med verkligheten.
ledningsdimensioner, ventilkonfigurationer och inte minst
Figur 3 visar beräknade verkningsgrader för axialkolv-
livslängds- och miljökrav. Hur dessa krav kan omsättas till
pump och ledning. Verkningsgraderna är beräknade med
hydraulvätskan exemplifieras i Figur 4.
hjälp av förlustmodeller.
Fig. 4: Krav på hydraulvätskor.
Fig. 3: Beräknad verkningsgrad för pump och ledning.
2