Hydraulik-dagarna 2012 Hydraulvätskans inverkan på systemförluster LiU/IEI/Flumes E-mail: karl-erik.rydberg@liu.se
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
Typisk specifikation för hydraulvätskor Viskositet och VI har störst inverkan på systemförlusterna
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 = 150-180 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
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
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 < 10 32 L η v d Δp f, l = 2 0,068 L = ρ 1.25 d 2 ρ vm 2 0.75 η m 0.25 5 Reynolds tal : d ρ v Re = = η v 1.75 m d v ν η = dynamisk visk., [Ns/m 2 ]
Laminär och turbulent tryckförlust i rak ledning
Viskositets-diagram för hydraulvätskor loglog( ν + c ) = n log( T) + k ν = kinematic visc. 1 cst = 1 10-6 m 2 /s Hydraulic oil ISO VG 46 46 cst at 40 o C VI = Viscosity index
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
Beräknade och uppmätta tryckförluster Mineralolja, VG 46, VI = 98 Hose diam. = 10 mm, viscosity = 30-46 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]
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]
Viskositet s f a temperatur (6 fluider)
Pumpflöde och volymetrisk verkningsgrad Fluid temp. 50 o C Volumetric pump efficiency: η v, p = 1 C v n p Δp ν ρ
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
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
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
Viskositetsindex Inverkan på pumpverkningsgrad VI = 200 VI = 100
Hydraulvätskans skjuvstabilitet Degussa RohMax Mineralolja med anti-wear tillsatser
Pumpverkningsgrad s f a VI Degussa RohMax
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 = 150-200. 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.
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
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!