เหตุใดมอเตอร์ไฮดรอลิกจึงไม่สามารถขับเคลื่อนด้วยน้ำได้

ระบบไฮดรอลิกไม่สามารถทำงานได้โดยปราศจากชิ้นส่วนหลัก เช่น ปั๊มไฮดรอลิก วาล์วไฮดรอลิก มอเตอร์ไฮดรอลิก และกระบอกสูบไฮดรอลิก บางคนอาจตั้งคำถามว่า เนื่องจากน้ำมีอยู่ทั่วไปและมีราคาถูก แล้วเราสามารถใช้น้ำแทนน้ำมันไฮดรอลิกได้โดยตรงหรือไม่?

 

คำตอบคือ: ตามหลักทฤษฎีแล้ว ระบบสามารถทำงานได้ แต่ผลลัพธ์ที่ได้จะไม่เป็นไปตามที่คาดหวัง คล้ายกับการใช้จักรยานธรรมดาลากรถบรรทุก ซึ่งอาจเคลื่อนที่ได้เพียงไม่กี่ครั้ง แต่ไม่ควรคาดหวังประสิทธิภาพหรืออายุการใช้งานที่ดี ลองพิจารณาเหตุผลจากห้าประเด็นด้านล่างนี้

 

1. การหล่อลื่นไม่เพียงพอ

หลักการ: น้ำมันไฮดรอลิกสร้างฟิล์มน้ำมันที่มั่นคงบนพื้นผิวโลหะ (การหล่อลื่นแบบของไหล / การหล่อลื่นแบบของไหลยืดหยุ่น) ทำให้การสัมผัสโดยตรงระหว่างโลหะเปลี่ยนเป็นการเฉือนระหว่าง "ฟิล์มน้ำมันกับฟิล์มน้ำมัน" ซึ่งช่วยลดการสึกหรอและการเกิดความร้อนได้อย่างมาก ขณะที่น้ำแทบไม่สามารถสร้างฟิล์มได้ และความสามารถในการหล่อลื่นแบบขอบเขต (boundary lubrication) ของน้ำอยู่ใกล้ศูนย์

 

มาตรวัดอ้างอิง: ความหนืดแบบไดนามิกของน้ำที่อุณหภูมิ 20 ° C ≈ 1 MPa · วินาที; ความหนืดแบบไดนามิกของน้ำมันไฮดรอลิก ISO VG 32 ที่อุณหภูมิ 40 ° องศาเซลเซียส มีค่าประมาณ 25–30 มิลลิพาสคาล·วินาที (มีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยตามความหนาแน่น) · น้ำมีความหนืดต่ำกว่าน้ำมันไฮดรอลิกที่ใช้ทั่วไป 20–30 เท่า

 

บริเวณที่มีแนวโน้มเกิดปัญหา:

 

การสึกหรอ การขบกัด และการติดขัดที่แผ่นด้านข้างและพื้นผิวฟันของปั๊มเกียร์;

 

พื้นผิวที่เสียดสีกันระหว่างปลายใบพัดของปั๊มแบบใบพัด (vane pump) กับแหวนคงที่ถูกขีดข่วนและเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงิน;

 

พื้นผิวที่สัมผัสกันระหว่างกระบอกสูบลูกสูบและลูกสูบของปั๊มแบบลูกสูบ (piston pump) รวมทั้งพื้นผิวรองรับของรองเท้าเลื่อนบนแผ่นเอียง (inclined disc sliding shoe surface) เกิดการเสียดสีแบบแห้ง;

 

ช่องว่างขนาดเล็กระหว่างแกนวาล์วและตัววาล์ว (มีขนาดเพียงไม่กี่ไมโครเมตร) อาจเกิดการสึกกร่อนจนขาดเป็นฝอยและติดขัดหลังสูญเสียคุณสมบัติการหล่อลื่น

 

 

 

ตัวอย่าง

 

ทดลองเดินเครื่องปั๊มลูกสูบแบบไหลต่ำที่ความดัน 25 MPa ด้วยน้ำสะอาด และแม้แต่ในขณะที่ไม่มีภาระโหลด ก็อาจเกิดการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของอุณหภูมิและเสียงผิดปกติที่ดังมากภายในเวลาไม่กี่สิบนาทีถึงไม่กี่ชั่วโมง; เมื่อตรวจสอบพบว่าพื้นผิวของรองรับลูกสูบ (sliding shoe) มีรอยขีดข่วน และพื้นผิวด้านปลายของลูกสูบมีคราบสีดำและสีน้ำเงิน

 

หากปั๊มใบพัด (vane pump) สูญเสียฟิล์มน้ำมัน จะเกิดเสียงหวีดแหลมคมชัดและแรงดันไม่สามารถขึ้นถึงค่าที่กำหนดได้หลังจากทำงานต่อเนื่องเป็นเวลาไม่กี่ชั่วโมง เมื่อถอดชิ้นส่วนออกเพื่อตรวจสอบ จะพบร่องลึกที่ชัดเจนบริเวณขอบของใบพัด

 

 

2. ปัญหาการกัดกร่อน

หลักการ: น้ำมีออกซิเจนที่ละลายอยู่และสารอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบไฟฟ้าเคมีได้ง่าย; ทั้งยังส่งเสริมให้เกิดการกัดกร่อนแบบจุด (pitting) และการกัดกร่อนในรอยแยก (crevice corrosion) น้ำยังสามารถทำให้วัสดุซีลหรือวัสดุยืดหยุ่นทั่วไป (เช่น NBR, PU เป็นต้น) ดูดซับน้ำและบวมตัว ส่งผลให้อายุการใช้งานสั้นลง

บริเวณที่มีแนวโน้มเกิดปัญหา: การกัดกร่อนแบบจุด (pitting corrosion) บนพื้นผิวที่สัมผัสกันระหว่างแกนวาล์ว (valve core) กับตัววาล์ว (valve body) → การติดขัดและการคลาน; ชั้นโครเมียมที่เคลือบบนก้านลูกสูบของกระบอกสูบไฮดรอลิกเกิดการกัดกร่อน และริมฝีปากซีลถูกทำให้แหลมคม; การกัดกร่อนที่แผ่นด้านข้างและผนังด้านในของตัวเรือนปั๊มเฟือง → อนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเข้าสู่ระบบหมุนเวียน; องค์ประกอบซีล (NBR/PU) ดูดซับความชื้น ทำให้ความแข็งลดลง และเกิดการเปลี่ยนแปลงขนาด ส่งผลให้มีการรั่วไหลเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น หากอุปกรณ์ที่ใช้งานกลางแจ้งไม่ได้ทำการระบายน้ำและทำให้แห้งอย่างทันท่วงทีหลังจากจมอยู่ในน้ำ แกนวาล์วอาจเกิดสนิมตื้นภายในระยะเวลา 3–5 วัน ซึ่งแสดงออกเป็นการตอบสนองช้าและการสั่นขณะสตาร์ตเครื่อง บางเครื่องฉีดพลาสติกเชื่อมต่อน้ำหล่อเย็นเข้ากับวงจรไฮดรอลิกโดยไม่ตั้งใจ ทำให้เกิดจุดสนิมบนกระบอกสูบภายในไม่กี่วัน ตามด้วยรอยขีดข่วนที่ริมฝีปากซีลเนื่องจากการกัดกร่อนแบบเป็นหลุม (pitting corrosion) และการรั่วไหลของน้ำมันเพิ่มขึ้นอย่างมาก

 

 

3. ความเสี่ยงของการเกิดฟองอากาศ (Cavitation)

หลักการ: น้ำมีจุดเดือดต่ำและแรงดันไอสูง เมื่อความดันในบริเวณทางเข้าปั๊มลดลงต่ำกว่าแรงดันไอของน้ำ น้ำจะระเหยกลายเป็นฟองทันที; จากนั้นฟองเหล่านี้จะยุบตัวทันทีในบริเวณที่มีความดันสูง ส่งผลให้เกิดลำน้ำขนาดเล็ก (micro jets) และคลื่นกระแทก (shock waves) ซึ่งสร้างร่องหรือหลุม (cavitation spots) คล้ายกับกระบวนการพ่นทราย ค่าอ้างอิง: แรงดันไอของน้ำที่อุณหภูมิ 60 ° °C มีค่าประมาณ 20 กิโลปาสคาล ซึ่งสูงกว่าแรงดันไอน้ำมันไฮดรอลิกอย่างมาก ดังนั้น ภายใต้เงื่อนไขการดูดซับที่เท่ากัน ปรากฏการณ์การกัดกร่อนจากฟอง (cavitation) จึงมีแนวโน้มเกิดขึ้นได้ง่ายกว่า พื้นที่ที่มีแนวโน้มเกิดปัญหา: บริเวณปลายฟันเฟืองของปั๊มเฟือง – บริเวณแผ่นด้านข้างที่เชื่อมกับทางเข้า, ห้องทางเข้าของปั๊มใบพัด, หน้าต่างดูดซับบนแผ่นกระจายของปั๊มลูกสูบ; บริเวณที่มีความดันต่ำเฉพาะที่จุดตีบ (throttling ports) และมุมแหลม

 

ตัวอย่าง

 

ปั๊มเกียร์ขนาด 30 ลิตร/นาที เมื่อทำงานด้วยน้ำที่ความเร็ว 1500 รอบต่อนาที และใช้ท่อดูดน้ำยาวหรือตัวกรองแบบละเอียด จะเกิดเสียงคล้ายการขัดด้วยกระดาษทรายหรือเสียงฮัมขึ้น หลังจากผ่านไปเพียงไม่กี่วัน แผ่นด้านข้างจะปรากฏรอยบุ๋มแบบพิตติ้ง (pitting) และรอยบุ๋มรูปพระจันทร์เสี้ยว ส่งผลให้ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรลดลงจาก 90% เหลือเพียง 60–70%

 

ช่องเปิดขนาดเล็กของวาล์วทำให้อัตราการไหลของตัวกลางน้ำลดลง ภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง มักพบรอยบุ๋มแบบพิตติ้งรูปเข็มบนแกนวาล์วและที่นั่งวาล์ว ซึ่งนำไปสู่การรั่วซึมภายในที่เพิ่มขึ้นและเสียงรบกวนที่มากขึ้น

 

4. หลักการความหนืดไม่เพียงพอ: การควบคุมการปิดผนึกและการรั่วซึมในระบบไฮดรอลิกขึ้นอยู่กับความหนืดของตัวกลางอย่างมาก โดยสรุปง่ายๆ แล้ว อัตราการรั่วซึมแบบไหลชั้น (laminar leakage) Qleak จะแปรผันโดยประมาณตาม 1/μ μ 1/μ μ (เมื่อรูปทรงเรขาคณิตและแรงดันต่างคงที่) เมื่อเปลี่ยนตัวกลางจากความหนืด 30 มิลลิพาสคาล-วินาที · เป็น 1 มิลลิพาสคาล-วินาที · การรั่วซึมเชิงทฤษฎีอาจเพิ่มขึ้นได้หลายสิบเท่า

 

5. หลักการไวต่ออุณหภูมิ: เมื่อน้ำแข็งตัวที่ 0°C ° C ปริมาตรจะขยายตัวประมาณ 9% ส่งผลให้ชิ้นส่วนหรือท่อที่มีผนังบางเกิดการแตกร้าว; ที่อุณหภูมิสูง การระเหยจะรุนแรงขึ้นและแรงดันไอเพิ่มสูงขึ้น ทำให้เกิดปรากฏการณ์การกัดเซาะจากฟองอากาศ (cavitation) บ่อยครั้งขึ้น และเกิดความผันผวนของแรงดันมากขึ้น น้ำมันไฮดรอลิกมีสารปรับค่าความหนืดตามอุณหภูมิ (viscosity temperature improver) และสารต้านการออกซิเดชัน (antioxidant) จึงสามารถใช้งานได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง

ผลกระทบในสถานที่จริง: อุณหภูมิต่ำ: น้ำแข็งเกาะ → การแตกร้าวบริเวณทางเข้าปั๊ม/เปลือกปั๊ม; ผลกระทบนี้รุนแรงเป็นพิเศษในขณะสตาร์ตเครื่อง ทำให้ขอบซีลถูก 'ฉีกออก'; อุณหภูมิสูง: เกิดการกัดเซาะจากฟองอากาศ (cavitation) บ่อยครั้ง และเกิด cavitation ที่ทางเข้าปั๊ม; ความผันผวนของแรงดันและเสียงดังเพิ่มขึ้น ส่งผลให้อุปกรณ์ขับเคลื่อนทำงานไม่เสถียรและเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

 

 

ตัวอย่าง

 

อุปกรณ์กลางแจ้งในภาคเหนือมีอุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศาเซลเซียสตลอดคืน ทำให้น้ำที่ค้างอยู่ในท่อแข็งตัวเป็นน้ำแข็ง ในวันถัดมา เมื่อเริ่มเดินเครื่องปั๊มเกียร์ พบรอยแตกร้าวเล็กๆ ปรากฏบนตัวเรือนปั๊ม

 

ที่ไซต์การหล่อต่อเนื่องในอุตสาหกรรมโลหะวิทยา ภายใต้สภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิ 60–70 องศาเซลเซียส ° C. วงจรทดสอบที่ใช้น้ำเป็นตัวกลางมักประสบปัญหาเสียงดังที่ปลายปั๊มและแรงดันตกในอุณหภูมิสูง ซึ่งระบบเริ่มมีความเสถียรเพียงเล็กน้อยก็ต่อเมื่อกลับไปใช้สารหล่อลื่นแบบน้ำผสมเอทิลีนไกลคอลอีกครั้ง

 

 

ผลโดยตรง: ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรลดลงอย่างมีนัยสำคัญ (ยิ่งชัดเจนขึ้นที่ความดันสูง); การสร้างแรงดันช้า และการรับโหลดมีลักษณะคลาน (crawling); การรั่วไหลภายในของแกนวาล์วเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดความแตกต่างของแรงดันสถิตในระบบ และทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้น้ำเป็นตัวกลาง ปั๊มเฟืองที่มีแรงดันกำหนดไว้ที่ 20 MPa ยังสามารถหมุนได้ภายใต้สภาวะไม่มีโหลด แต่ไม่สามารถสร้างแรงดันได้ภายใต้โหลด 8–10 MPa; หลังจากเปลี่ยนมาใช้น้ำมันหล่อลื่น VG46 กับปั๊มชนิดเดียวกันนี้ แรงดันสามารถกลับมาอยู่ที่ระดับ 18–20 MPa ได้ สำหรับชิ้นส่วนต่าง ๆ เช่น วาล์วสัดส่วนเซอร์โว ซึ่งมีความไวสูงมากต่อช่องว่างขนาดเล็ก จะเกิดการรั่วไหลที่ตำแหน่งศูนย์ (zero position leakage) และการเคลื่อนแคลน (drift) อย่างรุนแรงเมื่อเปลี่ยนไปใช้ตัวกลางที่มีความหนืดต่ำ ส่งผลให้ควบคุมลูปตำแหน่งให้คงที่ได้ยาก

 

 

จากมุมมองที่ผมได้นำเสนอมา โมเตอร์ไฮดรอลิกยังคงมีความเข้ากันได้ดีกว่ากับน้ำมันไฮดรอลิก

 

อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่าในอุตสาหกรรมมีของเหลวไฮดรอลิกที่ใช้น้ำเป็นฐาน (HFA/HFB/HFC เช่น น้ำผสมเอทิลีนไกลคอล) รวมทั้งปั๊ม/วาล์ว/ซีล และระบบที่ใช้วัสดุเฉพาะสำหรับของเหลวประเภทนี้ (เช่น สแตนเลส/ชุบไนโคล, เซรามิก, EPDM/PTFE เป็นต้น) แต่สิ่งเหล่านี้จัดอยู่ในขอบเขตวิศวกรรมระบบพิเศษ โดยไม่สามารถเปลี่ยนระบบหล่อลื่นด้วยน้ำมันที่มีอยู่เดิมเป็นระบบน้ำได้เพียงแค่การแทนที่โดยตรง