EN
System hydrauliczny nie może funkcjonować bez kluczowych komponentów, takich jak pompy hydrauliczne, zawory hydrauliczne, silniki hydrauliczne oraz cylindry hydrauliczne. Niektórzy mogą zadać pytanie: skoro woda jest powszechnie dostępna i tania, czy możemy używać jej bezpośrednio zamiast oleju hydraulicznego?
Odpowiedź brzmi: teoretycznie jest to możliwe, ale skutki są niezadowalające. To podobne do użycia zwykłego roweru do ciągnięcia ciężarówki – można przesunąć ją kilka razy, ale nie należy oczekiwać dobrych osiągów ani długiej trwałości. Przyjrzyjmy się powodom z poniższych pięciu punktów.
1. Niewystarczające smarowanie
Zasada działania: Olej hydrauliczny tworzy stabilną warstwę olejową na powierzchni metalowej (smarowanie płynem / smarowanie elastycznym płynem), przekształcając bezpośredni kontakt między metalami w ścinanie „olej–olej”, co znacznie zmniejsza zużycie i generowanie ciepła. Woda praktycznie nie tworzy warstwy smarującej, a jej zdolność do smarowania granicznego jest bliska zeru.
Skala odniesienia: lepkość dynamiczna wody w temperaturze 20 ° C ≈ 1 MPa · °C; lepkość dynamiczna oleju hydraulicznego ISO VG 32 w temperaturze 40 ° °C wynosi około 25–30 mPa · ·s (wartość ta nieznacznie zmienia się w zależności od gęstości). Woda jest od 20 do 30 razy rzadsza niż powszechnie stosowane oleje hydrauliczne.
Obszary szczególnie narażone na problemy:
Zużycie powierzchni bocznej pompy zębatej i powierzchni zębów, zaciskanie i przyklejanie się elementów;
Zarysowania i przebarwienia odcieniem niebieskim na powierzchni tarcia pomiędzy końcówką łopatki pompy łopatkowej a pierścieniem stałym;
Suche tarcie na powierzchni styku cylindra tłoczyskowego z tłoczyskiem oraz na powierzchni ślizgowej buta ślizgowego w pompie tłoczkowej;
Mała szczelina pomiędzy rdzeniem zaworu a korpusem zaworu (rzędu kilku mikrometrów) może po utracie smarowania ulec „rozplątaniu” i zaklinowaniu.
Przykład
Przeprowadzenie testu z użyciem niskoprzepływowej pompy tłoczkowej o ciśnieniu roboczym 25 MPa z czystą wodą może prowadzić – nawet bez obciążenia – do szybkiego wzrostu temperatury i głośnego, nietypowego hałasu już po kilkudziesięciu minutach lub godzinach; podczas inspekcji stwierdzono zadrapania na powierzchni ślizgających się butów oraz czarne i niebieskie przebarwienia na końcowej powierzchni tłoczka.
Jeśli pompa łopatkowa utraci warstwę oleju smarującego, po kilku godzinach pracy pojawi się ostre syknięcie oraz ciśnienie nie osiągnie wartości nominalnej. Po rozmontowaniu stwierdza się wyraźne „bruzdy” na krawędziach łopatek.
2. Problemy związane z korozją
Zasada działania: Woda zawiera rozpuszczony tlen i elektrolity, które sprzyjają korozji elektrochemicznej; jednocześnie przyspieszają korozję punktową i szczelinową. Woda może również powodować pochłanianie wody i rozprężanie typowych materiałów uszczelniających lub elastycznych (np. NBR, PU), co przyspiesza ich starzenie się.
Obszary szczególnie narażone na problemy: korozja punktowa na powierzchni styku rdzenia zaworu i korpusu zaworu → przyczepianie i pełzanie; Warstwa chromowana na tłoczysku cylindra olejowego jest skorodowana, a wargi uszczelniające są ostrzejsze; Korozja płyty bocznej i ściany wewnętrznej obudowy pompy zębatej → cząstki ściernie wnikające do obiegu; Element uszczelniający (NBR/PU) pochłania wodę, traci twardość i ulega zmianom wymiarowym, co powoduje zwiększenie wycieków. Przykład: Jeśli sprzęt przeznaczony do użytku na zewnątrz nie zostanie w odpowiednim czasie opróżniony i wysuszony po zalaniu wodą, rdza może pojawić się na rdzeniu zaworu już po trzech–pięciu dniach, objawiając się opóźnioną reakcją i drganiem podczas uruchamiania. Niektóre maszyny do wtrysku tworzyw sztucznych błędowo podłączają wodę chłodzącą do obwodu hydraulicznego, co powoduje powstanie plam rdzy na wnętrzu cylindra już po kilku dniach, a następnie zadrapania na wargach uszczelniających w wyniku korozji punktowej oraz gwałtowny wzrost wycieków oleju.
3. Ryzyko kawitacji
Zasada działania: Woda ma niską temperaturę wrzenia i wyskie ciśnienie pary. Gdy ciśnienie lokalne na wlocie pompy spadnie poniżej ciśnienia pary wody, zaczyna ona parować, tworząc pęcherzyki; natychmiastowe zapadanie się tych pęcherzyków w strefie o wysokim ciśnieniu powoduje powstanie mikrostrumieni i fal uderzeniowych, które wywołują powstawanie wgłębień (plam kawitacyjnych) przypominających skutki piaskowania. Skala odniesienia: Ciśnienie pary wody w temperaturze 60 ° °C wynosi około 20 kPa, co jest znacznie wyższe niż ciśnienie pary oleju hydraulicznego; dlatego też kawitacja łatwiej występuje w tych samych warunkach ssania. Obszary szczególnie narażone na problemy: wierzchołki zębów pompy zębatej – obszar płytki bocznej przy wlocie, komora wlotowa pompy łopatkowej, okno ssawne płyty rozdzielczej pompy tłoczkowej; lokalne obszary niskiego ciśnienia przy przewężkach i ostrych narożnikach.
Przykład
Pompę zębatą o wydajności 30 L/min, pracującą na wodzie przy prędkości obrotowej 1500 obr/min oraz z długim przewodem ssawnym/cienkim elementem filtrującym, będzie charakteryzował dźwięk przypominający szorowanie papierem ściernym lub buczenie. Po kilku dniach na tarczy bocznej pojawią się ubytki w postaci wgłębień i półksiężycowatych dołków, a sprawność objętościowa spadnie z 90% do 60–70%.
Małe otwarcie zaworu ogranicza przepływ medium wodnego. W warunkach wysokiej temperatury na rdzeniu i siedzisku zaworu często występują dołki w kształcie igieł, co prowadzi do wzrostu wewnętrznej przecieku i zwiększenia poziomu hałasu.
4. Zasada niewystarczającej lepkości: Uszczelnianie i kontrola przecieków w układach hydraulicznych w znacznym stopniu zależą od lepkości medium. Ogólnie rzecz biorąc, laminarny przepływ przecieku Q<sub>leak</sub> w szczelinie jest w przybliżeniu proporcjonalny do 1/μ μ 1/μ μ (gdy geometria i różnica ciśnień są stałe). Gdy medium zmieni się z oleju o lepkości 30 mPa·s · na wodę o lepkości 1 mPa·s · , teoretyczna wartość przecieku może wzrosnąć nawet kilkadziesiąt razy.
5. Zasada czułości na temperaturę: Gdy woda zamarza w temperaturze 0 °C ° C, jego objętość zwiększa się o około 9%, powodując pęknięcia cienkościennych części/rurociągów; W wysokiej temperaturze intensyfikuje się parowanie, a ciśnienie pary rośnie, co prowadzi do częstszych wystąpień kawitacji oraz fluktuacji ciśnienia. Olej hydrauliczny zawiera dodatek poprawiający zależność lepkości od temperatury oraz środek przeciwutleniający, zapewniając szeroki zakres roboczych temperatur.
Skutki na miejscu: niskie temperatury — zamarzanie → pęknięcie ssawa pompy/korpusu; Skutek jest szczególnie wyraźny w chwili uruchomienia, powodując „rozrywanie” krawędzi uszczelniającej; Wysokie temperatury: częsta kawitacja oraz kawitacja na ssaniu pompy; Fluktuacje ciśnienia i wzrost poziomu hałasu powodują szybkie drgania elementów wykonawczych.
Przykład
Urządzenia zewnętrzne na północy przez całą noc pozostawały w temperaturze poniżej zera, a pozostała wody w rurociągu zamarzła. Nazespolenie pojawiły się drobne pęknięcia w korpusie pompy zębatej po jej uruchomieniu;
Na stanowisku ciągłego odlewania stali w warunkach środowiskowych 60–70 °C ° C, obwód testowy wykorzystujący wodę jako środek roboczy często doświadcza hałasu po stronie ssawnej pompy oraz spadku ciśnienia w wysokich temperaturach. Dopiero po powrocie do roztworu wody z glikolem etylenowym układ osiągnął ledwo stabilną pracę.
Bezpośredni skutek: znaczny spadek sprawności objętościowej (bardziej wyraźny przy wyższych ciśnieniach); powolne narastanie ciśnienia i „pełzanie” obciążenia; wzrost wewnętrznej przecieku w rdzeniu zaworu powoduje różnicę w statycznym ciśnieniu układu oraz zwiększenie się nagrzewania. Przykład: przy użyciu wody jako środka roboczego przekładniowa pompa znamionowa o ciśnieniu 20 MPa nadal obraca się bez obciążenia, ale nie jest w stanie osiągnąć ciśnienia przy obciążeniu 8–10 MPa; po wymianie tej samej pompy na olej VG46 możliwa jest jej normalna praca przy ciśnieniu 18–20 MPa. Komponenty takie jak zawory serwo-proporcjonalne, które są szczególnie wrażliwe na niewielkie luzy, przy zastosowaniu niskolepkościowego środka roboczego ulegają intensywnemu przeciekowi w zerowej pozycji oraz dryfowi, co utrudnia stabilizację pętli pozycji.
Zgodnie z przedstawionymi przeze mnie poglądami silniki hydrauliczne są nadal lepiej kompatybilne z olejem hydraulicznym.
Należy jednak zauważyć, że w przemyśle istnieją wodne płyny hydrauliczne (HFA/HFB/HFC, np. glikol etylenowy w roztworze wodnym) oraz specjalnie zaprojektowane dla nich układy pomp/ zaworów/uszczelnień i materiałów (stal nierdzewna/napylanie niklowe, ceramika, EPDM/PTFE itp.). Jednak dotyczy to specjalistycznego inżynierii systemowej i nie wystarczy po prostu zastąpić istniejącego układu olejowego układem wodnym.