Wymiana olejów w układach hydraulicznych

oleje-hydrauliczne

Piotr MotykaAutorem artykułu jest mgr inż. Piotr Motyka, absolwent Politechniki Wrocławskiej. Ponad 40 lat pracy w przemyśle maszynowym. Konstruktor pierwszych obrabiarek CNC w Polsce.

Wymiana olejów hydraulicznych w przemyśle należy do najczęstszych i bardzo odpowiedzialnych zadań służb utrzymania ruchu. Dobrze przeprowadzona wymiana oleju oraz utrzymanie jego właściwych parametrów w czasie eksploatacji gwarantuje długoletnią i bezawaryjną pracę maszyn. Właściwy dobór oleju oraz przestrzeganie procedury wymiany gwarantują uzyskanie stałej czasowej transmisji mocy na niskim poziomie. Interwał czasowy między impulsem początkowym, a końcowym jest znacznie krótszy dla oleju nowego niż dla oleju przepracowanego, a co za tym idzie wydajność i bezawaryjność pracy maszyn znacznie wzrasta. Dzięki temu pojawiają się znaczne efekty ekonomiczne, które nie tylko rekompensują koszty poniesione na wymianę oleju, ale wypracowują znaczny zysk ekonomiczny.

Wymiana przepracowanego oleju hydraulicznego w formiarce w hucie żeliwa podniosła wydajność formiarki z 40 do 85 form na godzinę. To wzrost wydajności maszyny, który po prostu się opłaca.

Aby mieć przekonanie o podjęciu decyzji wymiany oleju należy zwrócić uwagę na rzeczywiste wartości parametrów użytkowanego oleju. Podstawowym parametrem jest lepkość kinematyczna. Parametr ten decyduje o wielu właściwościach oleju, ale w układach hydraulicznych bardzo istotne jest to czy olej ma charakter przepływu laminarnego czy też turbulentnego. Przepływ laminarny powoduje znacznie mniejsze opory przepływu niż przepływ turbulentny. To właśnie lepkość oleju decyduje o charakterze przepływu. Lepkość jest miarą tarcia wewnętrznego cieczy. Ciecz o małej lepkości stawia przy przepływie mniejsze opory niż ciecz o dużej lepkości. W przepływie laminarnym dwie warstwy cieczy o powierzchni „S”, odległe od siebie o wartość „dx”, poruszają się jedna z prędkością „v”, a druga z prędkością „v+dv”. Przemieszczenie względem siebie dwóch warstw cieczy w celu przezwyciężenia oporów stycznych cieczy, wymaga siły „F”. W takim układzie iloraz stanowiący stosunek siły stycznej „F” do powierzchni warstw cieczy „S” jest naprężeniem stycznym  proporcjonalnym do gradientu prędkości „dv” względem odległości „dx”. Współczynnik proporcjonalności „ɳ” w tym układzie określa się jako lepkość dynamiczną cieczy. Zależność tą można określić wzorem:

    \[ \frac{F}{S} = \tau = \eta\frac{dv}{dx} \Rightarrow  \eta = \frac {Fdx}{Sdv} \]

Jednostką miary lepkości dynamicznej jest paskalosekunda [Pa∙s].

Wyżej opisana zależność charakteryzuje ciecze newtonowskie. Lepkość cieczy newtonowskiej w danej temperaturze i pod danym ciśnieniem jest stała, tak więc możemy określić, że lepkość jest wielkością zależną od temperatury, ciśnienia i rodzaju cieczy i stanowi miarę tarcia wewnętrznego. Iloraz będący stosunkiem lepkości dynamicznej „ɳ” do gęstości danej cieczy „\rho” mierzonych w tej samej temperaturze określamy mianem lepkości kinematycznej. Zależność tą możemy określić wzorem:

    \[ E = \frac{\eta}{\rho} \]

Jednostką miary lepkości kinematycznej jest centystokes [cSt].

W układach przemysłowych wymianę zużytego oleju przeprowadza się najczęściej według przyjętego harmonogramu. Często jednak wymiana ta dokonywana jest na podstawie wyników badań laboratoryjnych mówiących o stopniu zużycia oleju, zawartości cząstek stałych lub też z uwagi na wdrożenie nowego rodzaju oleju dotychczas nie stosowanego. W tym przypadku należy pamiętać, że oleje tego samego typu i przeznaczenia, ale różnych producentów, często wytwarzane są w różnej recepturze co powoduje, że nie są kompatybilne, a ich skład i zawartość dodatków uszlachetniających są bardzo różne. Takie oleje zmieszane ze sobą mogą w temperaturze pracy wywołać określone reakcje chemiczne, co w konsekwencji doprowadza do zmiany parametrów
fizyko – chemicznych danej mieszaniny oleju. Dlatego też w takim przypadku profesjonalna wymiana oleju powinna polegać na całkowitym wylaniu z układu starego oleju, przepłukaniu układu niewielką ilością nowego oleju i docelowym, całkowitym zalaniem nowym olejem. Należy jednoznacznie podkreślić, że najbezpieczniejszą wymianą jest wprowadzenie do układu w pełni kompatybilnego oleju tego samego rodzaju, który był poprzednio stosowany lub też zgodnie ze wskazaniami zawartymi w DTR (Dokumentacja Techniczno–Ruchowa).

Niekontrolowane wlewanie do układu różnych olejów tylko w celu uzupełnienia pojemności może doprowadzić do zmiany cieczy oleistej w postać gęstej galarety i jest to proces nieodwracalny.

Przy doborze oleju przemysłowego posługujemy się najczęściej klasyfikacją lepkościową według normy ISO3448. Definiuje ona 18 klas lepkościowych, które określają lepkość kinematyczną w warunkach laboratoryjnych w temperaturze 40°C. Symbolem tej klasyfikacji jest akronim ISO VG (VG – Viscosity grade), po którym następuje liczbowy symbol klasy. Liczba w danej klasie lepkościowej ISO VG oznacza średnią lepkość kinematyczną danej klasy to znaczy, że wartość tej lepkości w danej klasie określona jest z tolerancją ±10%. Należy pamiętać, że dla porównania olejów przemysłowych w różnych klasach lepkości przyjęto dwie graniczne temperatury, w których wyznaczana jest laboratoryjnie lepkość kinematyczna. Jest to 40°C i 100°C.

Przy doborze oleju przemysłowego pomocną jest również klasyfikacja jakościowa według ISO6743. Definiuje ona również 18 klas. Poszczególnym klasom przypisane są kody literowe. Aby określić jakość i własności użytkowe oleju, posługujemy się szeregiem metod określających własności fizyko–chemiczne oraz specjalistyczne badania laboratoryjne. Ważnym parametrem jest wskaźnik lepkości stanowiący miarę tendencji do zmian lepkości oleju w funkcji temperatury. Wskaźnik lepkości jest jednostką bezwymiarową. Im wyższy jest wskaźnik lepkości, tym zmiana lepkości w funkcji temperatury jest mniejsza, a więc można trywialnie określić, że olej jest lepszy.

Bardzo ważną właściwością oleju jest odporność na pienienie. Pienienie może być przyczyną wypływania oleju ze zbiornika, może wywołać spadek wydajności pomp, zaburzenia w smarowaniu, a także może przyśpieszyć utlenianie oleju, a więc skrócenie jego żywotności. Skłonność oleju do pienienia zależy od lepkości, gęstości i napięcia powierzchniowego. Można tę skłonność ograniczyć dodając dodatki antypienne. Najczęściej są to związku silikonowe.

Ważnym czynnikiem jest odporność oleju na utlenianie warunkujące proces starzenia się oleju. Procesowi temu sprzyjają wysokie temperatury oraz katalityczne działanie różnych metali.  Proces utleniania prowadzi do rozkładu oleju, a więc do skrócenia jego żywotności. W wyniku tego procesu powstają szkodliwe substancje o kwasowym charakterze, wpływającym na korozję zbiorników olejowych i powstawanie na ich dnie tzw. szlamu. Tym samym w wyniku reakcji chemicznych na dnie zbiorników olejowych powstają laki i nagary koksowe. Wzrost produktów utleniania powoduje zmianę barwy oleju oraz jego parametrów fizyko–chemicznych. Olej przybiera ciemną barwę, następuje wytrącenie się cząstek stałych osiadających na dnie tworząc szlam i osad, a liczba kwasowa znacznie wzrasta. Taki proces doprowadza do konieczności wymiany oleju na nowy. Proces ten można spowolnić stosując inhibitory utleniania. Należy przypomnieć, że całkowita liczba kwasowa TAN (Total Acid Number) jest to liczba miligramów wodorotlenku potasu niezbędna do zobojętnienia wszystkich kwaśnych składników zawartych w 1g badanego oleju i wyraża się ją w mgKOH/g oleju. A zatem wzrost liczy kwasowej przyczynia się do wzrostu korozji zbiorników olejowych, zwiększenia ilości drobin cząsteczek stałych, a tym samym do niedrożności filtrów, wymuszenia obiegu oleju bajpasami, co w konsekwencji przekłada się na awaryjność układów sterujących maszyn i urządzeń.

Liczbę kwasową można zmniejszyć dolewając olej kompatybilny o mniejszej liczbie kwasowej i wysokiej liczbie zasadowej. Należy przypomnieć, że całkowita liczba zasadowa TBN (Total Base Number) jest ot liczba miligramów wodorotlenku potasu równoważna wszystkim zasadowym składnikom zawartym w 1g oleju. Olej otrzymany z przerobu ropy naftowej nie jest w stanie spełnić wszystkich cech użytkowych niezbędnych w przemysłowej eksploatacji. Można jednak jego jakość zmodyfikować poprzez dodatki uszlachetniające. Dodatkami są związki chemiczne lub ich mieszaniny o określonej budowie i posiadające działanie zmieniające właściwości użytkowe oleju. Dzięki temu możemy wytwarzać oleje o szczególnym przeznaczeniu, tzn. oleje procesorowe. Dla olejów hydraulicznych ma to istotne znaczenie przy doborze właściwego oleju, zwłaszcza przy wymianie, kiedy istnieje możliwość zwiększenia efektywności pracy maszyn i urządzeń. Ten nowy olej może skrócić interwał stałej czasowej, zawęzić charakterystykę zmian lepkości oleju w funkcji temperatury, jak również stworzyć większą ochronę antykorozyjną zbiorników olejowych i powiększyć działanie antyoksydacyjne.

Najważniejszą i największą grupę dodatków uszlachetniających stanowią detergenty i dyspergatory. Z chemicznego punktu widzenia detergenty są sulfonianami lub fenolanami wapnia lub magnezu. Natomiast dyspergatory są pochodnymi kwasów bursztynoimidowych. Należy podkreślić, że wyższa klasa jakości oleju wymaga większej zawartości dodatków dyspergująco–myjących i tym samym posiada wyższą liczbę TBN.

W trakcie eksploatacji oleju następuje zużycie dodatków detergentów i dyspergatorów. Pochodną tego zużycia jest spadek liczby TBN, stanowiący jednym z kryteriów decydujących o konieczności wymiany oleju.

Drobiny cząstek stałych osadzających się na dnie zbiorników olejowych tworzą osad w postaci szlamu. Ten szlam zalegający na dnie zbiorników ma odczyn mocno kwaśny (wysoka liczba TAN), a więc o wysokiej aktywności korozyjnej. Przy wymianie oleju należy ten szlam bezwzględnie usunąć. Specjalne urządzenie zaprojektowane na bazie pompy membranowej, pozwala usunąć szlam poprzez dokładne „szperanie” dna zbiornika przewodem ssącym o wyprofilowanej końcówce. We wszelkich maszynach starego typu, gdzie zbiorniki żeliwne zaprojektowane są w korpusach i podstawach z tylko jednym otworem wlewowym, można wspomagać się czyszczeniem poprzez zastosowanie pakuł.

Ważnym dodatkiem uszlachetniającym są wiskozatory. Są to różnego rodzaju związki polimerowe o określonej lepkości i określonym ciężarze cząsteczkowym. Dodane do oleju powodują wzrost lepkości kinematycznej, wzrost wskaźników lepkości i obniżenie temperatury płynięcia. Należy pamiętać, że im wyższy jest wskaźnik lepkości, tym mniejsze są zmiany lepkości oleju przy zmianie temperatury. Przy doborze oleju hydraulicznego należy wziąć pod uwagę jego pompowalność. Dobrą pompowalność przy niskiej temperaturze krzepnięcia posiadają oleje z dodatkiem depresatorów, którymi są związki polimerowe. Niska temperatura krzepnięcia związana jest z warunkami przechowywania tego oleju, gdyż jest to temperatura graniczna, poniżej której olej przechodzi w stan stały z utratą wszystkich swoich właściwości fizyko–chemicznych.

Duże znaczenie ma też temperatura zapłonu, przy której w ściśle określonych warunkach następuje zapalenie par oleju od zewnętrznego źródła ognia. Należy pamiętać, że oleje o niskich lepkościach posiadają lepszą zdolność do usuwania gazów oraz wykazują mniejszą tendencję do pienienia.

W układach hydraulicznych ważnym zagadnieniem jest sedymentacja, tj. opadania cząstek ciała stałego w oleju pod wpływem grawitacji. W wyniku sedymentacji na dnie zbiorników powstaje osad. Oleje hydrauliczne o zwiększonej sedymentacji stanowią mniejsze zagrożenie dla poprawności pracy systemów kontrolno–pomiarowych i sterujących.

Bardzo ważnym czynnikiem gwarantującym poprawność pracy oleju w układzie jest jego czystość określana ilością cząstek stałych o określonej wielkości. Źródłem zanieczyszczeń olejów hydraulicznych mogą być cząstki nieodfiltrowane, tlenki metali, drobne zanieczyszczenia metaliczne powstające w wyniku ścierania współpracujących części, zanieczyszczenia pochodzące z opakowań, a także zanieczyszczenia zewnętrzne jak np. pył.

Do oddzielania cząstek stałych z olejów hydraulicznych pracujących w układzie służą filtry, zarówno przepływowe jak i bocznikowe. Skuteczność filtrów określa współczynnik filtracji. Jest to stosunek liczby cząstek o określonym wymiarze, znajdujących się przed filtrem do liczy cząstek o tym samym wymiarze znajdujących się za filtrem.

Skuteczność filtracji można określić w procentach jako stosunek różnicy liczby cząstek stałych przed i za filtrem do liczby cząstek przed filtrem i wyrażana jest w procentach. Do sprawnego określania liczby cząstek stałych o określonym wymiarze można użyć laserowego miernika cząstek starych, które nasza firma posiada. Jest to w pełni nowoczesne urządzenie do testowania oleju w systemie on-site z pomiarem wielkości i ilości cząstek stałych. W wyniku pomiarów dokonanych tym urządzeniem można określić stopień zanieczyszczenia olejów hydraulicznych cząsteczkami stałymi o wielkości 4, 6, 14 i 21 mikrometrów. Pozwala to na sklasyfikowanie oleju według normy ISO 4406:1999 i określenie jego jakości zaliczając olej do jednej z 23 klas ISO. Urządzenie to umożliwia przypisanie badanemu olejowi trój-liczbowego kodu, zawierającego informację o liczbie cząstek stałych o wielkości większej niż 4, 6 i 14 mikrometrów, zawartych w jednym mililitrze oleju. Norma ISO 4406:1999 podaje zalecane klasy czystości oleju przy eksploatacji oleju w różnych urządzeniach. Poniżej prezentujemy listę zespołów i urządzeń występujących w układach hydraulicznych z określeniem zalecanych klas czystości ISO 4406:1999  (przy ciśnieniu roboczym 160-210 psi).

Pompy
Tłokowe osiowe 21/18/15
Tłokowe promieniowe 21/18/15
Zębate 21/18/15
Łopatkowe 20/17/14
Silniki
Tłokowe osiowe 21/18/15
Tłokowe promieniowe  21/18/15
Zębate  21/18/15
Łopatkowe 20/17/14
Zawory
Rozdzielacze (elektromagnetyczne) 21/18/15
Ciśnieniowe 21/18/15
Sterujące natężeniem przepływu 21/18/15
Zwrotne 21/18/15
Proporcjonalne 20/17/14
Serwozawory 17/14/11
Siłowniki 21/18/15

 

Szczególnie należy zwrócić uwagę na klasę czystości oleju hydraulicznego w sytuacji, gdy w układzie hydraulicznym występują serwozawory, które są bardzo czułymi elementami układów. Zachowanie odpowiedniej klasy czystości oleju, poprzez okresowe badanie oleju oraz terminowe wymiany pozwala uniknąć nieplanowanych przestojów oraz nieprzewidzianych kosztów, które w przypadku serwozaworów mogą sięgać dziesiątek tysięcy złotych.

Przykłady te obrazują nam precyzyjnie określone klasy czystości w zależności od maszyn i urządzeń, w których oleje hydrauliczne są stosowane. Tak więc do określenia klasy czystości oleju używanego służy wyżej opisane urządzenie, umożliwiające dokonanie wysoce precyzyjnego pomiaru. Polepszenie czystości oleju jest zalecane w przypadku zwiększenia ciśnienia roboczego w układzie, co pozwala na osiągnięcie takiej samej trwałości elementów jak przy niższym ciśnieniu. Należy podkreślić, że żywotność układu hydraulicznego może zostać wydłużona poprzez podniesienie poziomu czystości. W przypadku olejów hydraulicznych według normy ISO zwiększając czystość oleju z klasy -/19/17 do klasy – /14/11 możemy wydłużyć żywotność oleju nawet czterokrotnie.

Hand prowadzi pełny zakres usług kontrolno–pomiarowych, badawczo–laboratoryjnych i wykonawczych, związanych z wymianą olejów hydraulicznych. Posiadamy certyfikowany przenośny laserowy miernik czystości oleju oraz specjalistyczne urządzenie z pompą membranową, które pozwala na wypompowanie przepracowanego oleju z układu i usunięcie wytrąconych szlamów ze zbiornika oleju. Profesjonalne działanie i duże doświadczenie pozwala na wymianę oleju w dużych i skomplikowanych układach hydraulicznych, gwarantując poprawę i bezawaryjną pracę w długim okresie czasu.

Lista konwersji olejów hydraulicznych Shell i innych marek
Shell Tellus S3 M 46  Mobil Exel DTE 46
Shell Tellus S2 MX 68  Mobil Nuto H68;
Shell Tellus S2 MX 22  Orlen Hydrol Premium L-HM/HLP 22; Mobil DTE 22;
hell Tellus S2 VX 32  Kroon Oil Perlus 22/23; BP Bartram HV32;
Shell Tellus S2 MX 100  Mobil DTE 27; Esso Nuto H100;
Shell Tellus S2 VX 46  Agip Amica 46; ICB High Performance Hydraulic Fluid 46; Mobil DTE 15; Esso Uni PowerXL 46;
Shell Tellus S2 MA 46  Mobil DTE 25;
Shell Tellus S2 MA 10  BP Energol HLP-HM10;
Shell Tellus S2 VX 22  Statoil Hydraulic 131
Shell Tellus S2 VX 68  Orlen Hydrol L-HV68
Shell Tellus S2 MX 32  BP Energol HLP 32; Statoil Hydraulic Premium 32;
Shell Tellus S3 M32  Castrol Hyspin AWS 32
Shell Tellus S2 VX 15  ICB High Performance Hydraulic Fluid 15
Shell Tellus S2 MX 46  Orlen HL 46; Orlen HLP 46;

 

Wróć do kategorii: Artykuł Oleje i smary