Почему вашей гидравлической системе нужен охладитель масла — и вероятно, большой!

Большое внимание уделяется загрязнению гидравлической жидкости, обычно — это грязь, вода и воздух. Но нагрев также весьма вреден для гидравлической жидкости и может создать столько же отказов компонентов, что и «обычное» загрязнение.

Неудобная правда о гидростанциях заключается в том, что они являются тепловыделяющими системами. В этом отношении они не уникальны: преобразование энергии и управление со 100% эффективностью остаются на сегодня недостижимыми. И я считаю, что проблема нагрева, которая влечет за собой неизбежное падение КПД, требует того внимания, которого она заслуживает.

За исключением резервуара, каждый компонент гидростанции является тепловыделяющим устройством. Процесс перемещения гидравлической жидкости по линии от A к B приводит к падению давления и, следовательно, к выделению тепла. Установка фильтров для контроля загрязнения частицами также приводит к падению давления, что увеличивает тепловую нагрузку. Насосы и гидромоторы имеют внутреннюю утечку, что приводит к еще большему падению давления, вызывающего выделение тепла. Силовой насос гидростатической трансмиссии выдерживает 100% тепловую нагрузку. В открытых контурах устанавливаются тепловыделяющие дроссели (во всех их различных формах) и гидроклапана для управления направлением, потоком и давлением, а нагрузки уравновешиваются установкой гидравлического сопротивления.

Гидростанция стандартная

Энергозатратные перепады давления — неизбежная черта гидравлических систем.

Дело в том, что потери давления и потери энергии — это факт жизни в гидравлических системах. Их можно (и нужно) свести к минимуму, но полностью исключить нельзя. Так что давайте перестанем игнорировать слона в комнате. Потому что, если его не остановить, нагрев так же проблематично, как и загрязнение частицами, а возможно, даже больше.

Перегрев влияет на смазку

Адекватная смазка гидравлических компонентов и эффективная передача мощности зависят от соответствующей вязкости масла. Если позволить температуре рабочей жидкости превышать температуру, необходимую для поддержания вязкости на уровне около 20 сантистокс (сСт), вероятность граничной смазки, приводящей к трению и износу, резко возрастает.
Температура, при которой достигается эта точка, зависит от класса вязкости жидкости и ее индекса вязкости (VI). VI — это мера устойчивости масла к изменению вязкости при изменении температуры. Масло с высоким индексом вязкости часто называют универсальным маслом. Универсальные масла часто рекомендуются для оборудования, которое должно работать в холодных условиях. Высокий индекс вязкости помогает предотвратить повышение вязкости масла (загустевание) при низких температурах. Однако высокий индекс вязкости также помогает предотвратить снижение вязкости (разжижение) при высоких температурах.
Другими словами, критическая температура с точки зрения вязкости может быть относительно низкой или высокой, в зависимости от используемого масла. Кроме того, чем выше максимальная рабочая температура, тем шире становится рабочий диапазон температур. И чем шире рабочий температурный интервал, тем сложнее поддерживать вязкость масла в допустимых пределах.
Например, рассмотрим гидравлическую систему с температурой холодного пуска 5 °C  и максимальной рабочей температурой 110 °C. Для поддержания вязкости между 800 сСт при холодном пуске и 25 сСт при максимальной рабочей температуре требуется масло ISO VG 150 с индексом вязкости 229. Это не тот тип гидравлического масла, которое вы можете просто позвонить и получить у местного поставщика масла. Гидравлические масла, которые обычно используются, имеют классы вязкости по ISO 22, 32, 37, 46, 68 и 100. Типичное однородное гидравлическое масло имеет индекс вязкости около 100, а всесезонное — около 150. И даже, если бы масло VG 150 с индексом вязкости 229 было легко доступно, то это был бы очень дорогой продукт.

Экспоненциальный эффект нагрева

Когда дело доходит до срока службы масла, уплотнений и шлангов стает ясно, что максимальная температура — это не просто опасный параметр. Согласно закону Аррениуса, на каждые 10 °C повышения температуры скорость реакции удваивается. Химические реакции, которые нас интересуют в отношении срока службы гидравлического масла, включают окисление (в присутствии воздуха) и гидролиз (в присутствии воды). Таким образом, чем горячее масло, тем выше скорость этих реакций, причем в геометрической прогрессии.
В качестве примера: если вы нальете немного растительного масла в стакан, пройдут дни (даже недели), прежде чем оно потемнеет — признак окисления. Но если вы нальете такое же количество растительного масла в сковороду, которая дает маслу большую площадь контакта с воздухом, а затем нагреете его, то масло станет черным через гораздо короткий промежуток времени. Если допустить окисление гидравлического масла, то побочные продукты этого процесса — лак и шлам — вызовут проблемы с надежностью, сродни, засорению фильтров и заклинивания золотника клапана.

hydraulic cooler

Влияние рабочей температуры на срок службы гидравлического масла. Измерения проводились на обратной стороне резервуара.
(Источник: Факты, которые стоит знать о гидравлике, Danfoss Fluid Power, стр.17.)

Резкое влияние рабочей температуры на срок службы гидравлического масла показано на представленной номограмме. Если гидравлическая система работает при 85ºC, срок службы масла составляет 12% от того, что было бы, если бы система работала при 60ºC. Если система работает при 102ºC, срок службы масла составляет всего 3% от того, что было бы, если бы система работала при 60ºC.

Нагрев и термическое разложение

Тепло может повредить масло двумя способами.
Обсуждалось только первое: окисление. Окисление — это химическая реакция, которая ускоряется высокой температурой масла в объеме и присутствием воздуха. Это «нормальная» окислительная деградация масла.
Второй — интенсивный локальный нагрев масла. Распространенными причинами локального сильного нагрева являются:

  • схлопывание увлеченных пузырьков воздуха
  • микродизелирование
  • нагреватели масла с высокой удельной мощностью
  • большие и постоянные перепады давления в системе — например, масло проходит через предохранительный клапан
  • искрение, вызванное электростатическим разрядом. Этот процесс иногда называют термической окислительной деградацией

Важно то, что химический процесс этих двух форм окислительного разложения различен, поэтому они по-разному отображаются в отчетах об анализе масла. При разложении, связанном с интенсивным локальным нагревом, в масле образуются углеродосодержащие нитронитраты. Обычно это проявляется в виде нитрования в отчете об анализе масла с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). С другой стороны, масло, которое разлагается в результате «нормального» окисления, производит карбоксилаты металлов и карбоновые кислоты. Количество этих кислот — и, следовательно, оставшийся срок службы масла — это то, что пытается определить тест общего кислотного числа (TAN).

Чрезмерное нагревание повреждает больше, чем масло

Гидравлическое масло — не единственное, на что влияет перегрев. Эластомеры, используемые для изготовления гидравлических уплотнений и шлангов, постоянно совершенствуются, но температура масла выше 82 °C ускоряет разложение большинства этих полимеров. Фактически, по словам производителя уплотнений Parker, если рабочие температуры на 10°C выше рекомендуемых пределов, то они могут сократить срок службы уплотнения на 80% или более.
Аналогичным образом, по словам производителя шлангов Gates, воздействие на гидравлический шланг рабочей температуры выше на 10°C рекомендованного максимума сокращает его ожидаемый срок службы на 50%. Это означает, что однажды допустив значительный перегрев вы можете повредить все шланги и уплотнения, «грохнуть» масло и привести к истиранию и износу смазываемых поверхностей.
Есть еще постоянный цикл нагрева и охлаждения — процесс, известный как старение, и он становится более интенсивным, когда перепады температур выше. Из-за старения полимеры, используемые в уплотнениях и шлангах, теряют свои эластичные свойства. Конечный результат — протечки шлангов и уплотнений.

Установка пределов температуры

Так чем же опасна высокая температура для гидравлических систем?

По причинам , которые мы уже выяснили, чтобы избежать ущерба для масла и увеличить срок службы шлангов и уплотнений, я всегда работаю максимум на 85 °C. Однако, чтобы избежать ухудшения вязкости, смазки и эффективности системы, может потребоваться гораздо ниже температура: от 85 °C до примерно 50 °C или, возможно, еще ниже, в зависимости от сорта и типа используемого масла, и конечно, климатических условий, в которых работает машина. Для того, чтобы круглый год оставаться ниже максимальных пределов температуры, в большинстве случаев потребуется, чтобы в гидравлической системе машины использовался охладитель масла.
Биограф Стива Джобса Уолтер Айзексон рассказывает историю о том, как Джобс требовал, чтобы один из первых компьютеров Macintosh не имел охлаждающего вентилятора. Джобс утверждал, что охлаждающий вентилятор ухудшает впечатление пользователя, и я склонен согласиться с ним. Когда вентилятор охлаждения на моем Alienware X51-R2 набирает обороты, меня это слегка раздражает. Как бы то ни было, несмотря на первоначальное сопротивление со стороны его инженеров в то время Джобс победил, и поставляемая модель не имела охлаждающего вентилятора на корпусе.
Я упоминаю эту историю, потому что многие производители гидравлических машин и конечные пользователи разделяют неприязнь покойного Джобса к устройствам отвода тепла — в нашем случае маслоохладителям. Но нельзя сказать, что масляный радиатор на гидростанции мешает пользователю. Однако есть несколько причин по которым клиенты отказываются от установки охладителей.

  • начальная стоимость
  • необходимое обслуживание
  • пространство, которое требуется
  • вес, который он добавляет к машине

Большой резервуар — не решение

Идея о том, что увеличение объема масла в баке может устранить необходимость в маслоохладителе, ошибочна — во всех системах, кроме самых маленьких, с точки зрения потребляемой мощности. Формула для расчета конвекции тепла от резервуара в единицах СИ:

P = ΔT × A × h ÷ 1000
Где:
P — отводимое тепло, кВт
ΔT — разница температур между маслом и воздухом, °C
A — площадь резервуара без учета основания, м2
H — коэффициент конвективной теплопередачи для воздуха, Вт/(м2 °C)

Используйте коэффициент 12 для нормально вентилируемого помещения, 24 для принудительной вентиляции или 6 для плохой циркуляции воздуха.
Рассмотрим резервуар с объемом масла 200 литров и площадью (без учета его основания) 1,7 м2 , температурой окружающего воздуха 35 °C и рабочей температурой масла 85 °C. В «нормально вентилируемом» помещении Теоретический отвод тепла резервуара составляет:

(85-35) × 1,7 × 12 ÷ 1000 = 1 кВт

В целях иллюстрации предположим, что этот расчет слишком консервативен, поэтому мы удвоим указанное выше число. Другими словами, мы ожидаем, что 200 литровый бак будет рассеивать 2 кВт тепла. Работая в обратном порядке от этого числа, если мы хотим, чтобы установленная охлаждающая способность гидравлической системы составляла 25% от входной мощности (и резервуар является единственным установленным охлаждающим устройством), то максимальная допустимая непрерывная входная мощность составляет всего 8 кВт! Очевидно, что идея большого (или большего) бака вместо маслоохладителя нереальна в большинстве случаев.
Если вы согласны с тем фактом, что потери давления неизбежны в любой гидравлической машине, то в большинстве случаев есть необходимость в маслоохладителе подходящего размера. Потому что, когда речь идет о надежности гидравлических машин, неконтролируемый нагрев может быть таким же или даже хуже, чем неконтролируемое загрязнение масла.

Author: Брендан Кейси