Hydraulvätskans inverkan på systemförluster

Transkript

1 Hydraulik-dagarna 2012 Hydraulvätskans inverkan på systemförluster LiU/IEI/Flumes

2 Viktiga egenskaper hos hydraulvätskor Smörjegenskaper, smörjfilm med hög bärighet Viskositet, viskositetsindex (multigrade) Hög oxidationsstabilitet lång livslängd Stort temperaturintervall Värmekapacitet Miljöanpassad klara miljökrav även efter anv. God filtrerbarhet Pris

3 Typisk specifikation för hydraulvätskor Viskositet och VI har störst inverkan på systemförlusterna

4 Miljöanpassade hydraulvätskor-syntetiska estrar Omättade estrar Viskositet, VG 10, 15, 22, 32, 46, 68, Viskositetsindex: VI 200 Värmekapacitivitet: väsentligt högre än för mineraloljor Begränsad stabilitet, känsliga för vatten (viskositet och syratal ökar) Kräver tillsatser Mättade estrar Viskositet, VG 10, 15, 22, 32, 46, 68, Viskositetsindex: VI = Värmekapacitivitet: väsentligt högre än för mineraloljor Extremt hög stabilitet Klarar väsentligt större temperaturområde än mineraloljor Klarar högt vatteninnehåll (<= 400 ppm) utan att smörjegenskaper och viskositet påverkas nämnvärt

5 Hydraulvätskans viskositet Kinematisk viskositet: ν [m 2 /s] Dynamisk viskositet: η = ρ ν [Ns/m 2 ] Exempel: ISO VG 46, innebär att vätskans kinematiska medelviskositet är 46 cst vid 40 o C. Viskositetens inverkan på förluster i hydraulsystem Laminär spaltläckning: q l 1 η Friktionskrafter i tätspalter: F f η Tryckförluster vid laminär strömning: Δp η

6 Teori för tryckförluster i ledningar Laminär str.: Turbulent str.: Tryckförlust i rak ledning med längden L, diametern d och strömningshastigheten v m (= q/a) Δp Δp Friktionsfaktor, λ: λ λ lam turb = = 64 Re 0,136 4 Re Re 2300 f, t f < = 2300 < λ L d Re < L η v d Δp f, l = 2 0,068 L = ρ 1.25 d 2 ρ vm η m Reynolds tal : d ρ v Re = = η v 1.75 m d v ν η = dynamisk visk., [Ns/m 2 ]

7 Laminär och turbulent tryckförlust i rak ledning

8 Viskositets-diagram för hydraulvätskor loglog( ν + c ) = n log( T) + k ν = kinematic visc. 1 cst = m 2 /s Hydraulic oil ISO VG cst at 40 o C VI = Viscosity index

9 Test-rigg för mätning av tryckförluster i ledningar, Flumes q p Valveblock n p )( q s ) ( P 1 Hose, 15 m, ø = 10 mm P 2 Loadvalve q = q p -q s T 1 T 2

10 Beräknade och uppmätta tryckförluster Mineralolja, VG 46, VI = 98 Hose diam. = 10 mm, viscosity = cst, VI = 98 Hose pressure drop, [bar/15 m] -Measurements T = 40 o C ν= 46 cst T = 50 o C ν 30 cst Re = 2300 Max pressure drop, 46 cst Max pressure drop, 30 cst Re = 2300 Flow velocity, [m/s]

11 Tryckförluster i slang (φ=10 mm, L=15 m) Fluid temp. 40 o C VG 46 VG 32 VG 12 VG 3 Flow velocity, [m/s]

12 Viskositet s f a temperatur (6 fluider)

13 Pumpflöde och volymetrisk verkningsgrad Fluid temp. 50 o C Volumetric pump efficiency: η v, p = 1 C v n p Δp ν ρ

14 Optimal oljeviskositet för axialkolv-pumpar Modellbaserade verkningsgradsberäkningar Hydro-mechanical efficiency Volumetric efficiency 75 cst Overall efficiency Optimal viskositet: p p C η v opt = np kv 12 cst Overall efficiency

15 Verkningsgrader för pump och ledning q p n p ) ( P 1 Hose, 15 m, ø = 10 mm P 2 Loadvalve η t,p η ledn (vm = 5.0 m/s) Ledningsverkningsgrad: η ledn =1 Δp p ledn p η tot Max efficiency at 8 cst q p = 24 l/min, d ledn = 10 mm Δp = 21 MPa η Pumpverkningsgrad: t, p = ηv, p ηhm, p Totalverkningsgrad: tot = ηt, p ηledn η

16 Verkningsgrader för pump och ledning q p n p ) ( P 1 Hose, 15 m, ø = 16 mm P 2 Loadvalve η ledn (v m = 5.0 m/s) η t,p η tot Max efficiency at 10 cst q p = 60 l/min, d ledn = 16 mm Δp = 21 MPa

17 Viskositetsindex Inverkan på pumpverkningsgrad VI = 200 VI = 100

18 Hydraulvätskans skjuvstabilitet Degussa RohMax Mineralolja med anti-wear tillsatser

19 Pumpverkningsgrad s f a VI Degussa RohMax

20 Hur välja hydraulvätska? Några viktiga kriterier för val av hydraulvätska Systemtryck, pump/motor-varvtal, typ av hydraulmaskiner och ledningsdimensioner krävs för att specificera lämplig viskositet. Krav på viskositetsindex Mobilhydraulik: VI = VG 10, 22, 32 eller 46? I mobila applikationer är optimalt VG beroende av VI-värdet. Hög skjuvstabilitet. Säkerställer att viskositet och VI påverkas marginellt vid skjuvning av hydraulvätskan. Vatten- och luft-avskiljning.

21 Slutsatser framtidens hydraulvätskor Krav på framtidens hydraulvätskor minimera förlusterna i hydraulsystem vara miljöanpassade med avseende på nedbrytbarhet och giftighet hög stabilitet syratal/hydrolys, viskositet, viskositetsindex, skjuvning vattenresistens, luftavskiljning stort temperaturområde Den hydraulvätska som bäst klarar dessa krav är syntetiska mättade estrar

22 Framtidens lösning av friktionsproblem i hydraulmaskiner? Koeningsegg-Agera-R V8-motor med lågfriktionsbeläggning på cylinderfoder och sänkt smörjoljeviskositet ökar maxeffekten c:a 30 hästkrafter. Lågfriktionsbeläggning av en nano-komposit (utvecklad av Applied Nano Surfaces, ANS) som binder olja och ger extremt låg friktion (friktionskoefficient = 0,04). TACK!