FLUIDE HIDRAULICE - proprietati chimice, fluide hidraulice de utilizare curenta, fluide hidraulice sintetice, alegerea fluidelor hidraulice

FLUIDE HIDRAULICE

In sistemele de actionare hidraulice si pneumatice, purtatorul de energie este fluidul, lichid in primul caz, gaz (mai ales aer) in cel de-al doilea.

Proprietati fizice specifice mediilor lichide utilizate in actionari

In general starea de echilibru termodinamic a unei mase de fluid M este definita cu ajutorul a doi parametri de stare: volumul V si temperatura T. Ecuatia de stare exprima dependenta f(p,v,T) = 0, de regula sub forma v = v(p,t) sau r r(p.v,T), in care v = V/M = 1/r este volumul specific.

Compresibilitatea si elasticitatea, sunt proprietati care deriva din ecuatia de stare. Compresibilitatea se caracterizeaza prin coeficientul de compresibilitate, constanta fizica a oricarui lichid:

b = (dV/V).l/dp = a.T

sau prin modulul de elasticitate  definit ca inversul coeficientului de compresibilitate: /

In cazul uleiurilor minerale, daca continutul de gaz dizolvat este nul, modulul de elasticitate este (1,42).l0⁹ N/m². In practica, acesta descreste rapid cu prezenta aerului dizolvat. Consecinta este deosebit de importanta asupra caracteristicilor dinamice ale sistemului de actionare. In sistemele simple si de joasa presiune, se poate neglija efectul compresibilitatii lichidului. In mod normal insa, in sistemele actuale de actionare hidraulica, efectul compresibilitatii este luat in considerare intotdeauna, datorita valorilor mari ale presiunilor de lucru.

Vascozitatea caracterizeaza. rezistenta la alunecare a straturilor de fluid vecine. In actionari se folosesc de regula fluide newtoniene, pentru care forta de frecare este data de:

F = A.t = A.m.du/dn,

in care m este coeficientul de vascozitate dinamica al fluidului respectiv, A reprezinta suprafata de referinta pentru care se calculeaza forta, iar du/dn este gradientul de viteza in directia normala la directia de deplasare a straturilor de lichid. Paralel se mai utilizeaza coeficientul de vascozitate cinematic:

n m

Marimea vascozitatii variaza sensibil cu temperatura. La lichidele newtoniene scade cu cresterea temperaturii, pe cand la gaze, creste cu temperatura. In cazul lichidelor, dependenta de temperatura este data prin relatia

m m_o.e^-l(T-To)

l fiind o constanta care depinde de natura lichidului.

In cazul gazelor, m m_o (273+C)/(T+C).(T/273)^1,5 . Variatia vascozitatii cu presiunea urmeaza o lege practic exponentiala:

Proiect: Cerinte privind caracteristicile betonului - rezistenta, durabilitate Lucrare: Manual de utilizare aparat de sudare - model digital mig 180

m m_o. A^(p/p₀^-1),

in care m_o este vascozitatea la presiunea p₀ A un coeficient care caracterizeaza fluidul; in cazul uleiurilor A==l,003. In limita de presiuni 050 bar (0,15 MPa), variatia de vascozitate Dm m_o este de ordinul 15%. Variatia vascozitatii cu presiunea, la diferite temperaturi este aratata in figura urmatoare:

Vascozitatea de dilatare (a doua vascozitate) se manifesta printr-o disipare de energie care are loc in masa de fluid, atunci cand se produce o comprimare sau o dilatare. Acest fenomen are influenta asupra transmiterii undelor de presiune cu frecvente ridicate in conducte si sisteme de actionare.

Punctul de congelare este temperatura la care, in anumite conditii fixate de norma de incercare, lichidul nu mai curge. La temperaturi joase, in lichid se formeaza un precipitat alb cu aspect de nori si in legatura cu acesta se defineste 'punctul de tulburare'. Aceste caracteristici sunt importante pentru utilajele actionate hidraulic, care lucreaza in exterior sau in hale neancalzite.

Proprietati chimice

Onctuozitatea se refera la comportarea lichidului hidraulic ca lubrifiant, in regimul semilichid; aceasta proprietate este in stransa legatura cu natura chimica si cu afinitatea pentru metale ale lichidelor hidraulice. In general, proprietatea de lubrifiere devine foarte importanta odata cu cresterea sarcinii si scaderea vitezei de deplasare. Imbunatatirea onctuozitatii se realizeaza uneori prin adaus de aditivi; unii reactionand cu metalul formeaza produse chimice care impiedica gripajul.

Stabilitatea la oxidare priveste atat oxidarea lenta (degradarea mediului lichid prin oxidare), cat si aprinderea lichidului hidraulic, caracterizata prin punctul de inflamabilitate (al vaporilor de ulei), punctul de aprindere si punctul de autocombustie (aprinderea fara interventia flacarii). Unele actionari hidraulice echipeaza instalatii in turnatorii, hale de tratamente termice, laminoare etc., locuri unde se degaja mari cantitati de caldura. Ca urmare sunt necesare precautii in alegerea lichidelor hidraulice si in dispunerea elementelor instalatiei de actionare.

Stabilitatea hidraulica se refera si defineste capacitatea mediului hidraulic de a se opune reactiei cu apa - in general cu apa de condensare - care poate apare in zonele unde se produc variatii locale bruste de temperatura.

Compatibilitatea se refera la capacitatea fluidelor de a se opune reactiilor chimice cu materialele din structura sistemelor hidraulice (materiale metalice, materiale de etansare, etc.)

Spumarea lichidelor hidraulice este emulsionarea acestora cu aerul, avand urmari negative asupra capacitatii de lubrifiere si in special asupra comportarii dinamice a sistemului, prin cresterea elasticitatii mediului hidraulic si ca urmare, micsorarea preciziei si promptitudinii sistemului. Utilizarea aditivilor antispumanti asigura, in mare masura, degajarea aerului continut, fara formarea emulsiei.

Caldura specifica. Prin caldura specifica se intelege cantitatea de caldura ce trebuie furnizata unitatii de masa a lichidului, pentru a-i ridica temperatura cu un grad. La lichidele reale, caldurile specifice cresc odata cu temperatura. In cazul laminarii lichidului, procedeu des utilizat in sistemele de actionare in scopul modificarii parametrilor energetici de alimentare ai motoarelor hidraulice, se produce o incalzire a lichidului. Aceasta poate fi evaluata din egalitatea:

L = (l/r).(p₁ -p₂) = c.(T₁-T₂),

in care L este lucrul mecanic disipat prin laminare, r este masa specifica a lichidului, p₁-p₂ = Dp reprezinta variatia de presiune in zona considerata, T₁-T₂ = DT este variatia de temperatura corespunzatoare a lichidului de lucru, iar c este caldura specifica a acestuia. Rezulta, DT Dp r.c .

Aplicand aceasta relatie, se poate calcula de exemplu ca la o cadere de presiune de 100 bari, se produce o crestere a temperaturii uleiului cu 6 C.

Conductivitatea termica exprima fluxul de caldura de 1 Watt, printr-o suprafata de 1 m² a corpului respectiv, la un gradient de temperatura de 1 K in directia fluxului. Conductivitatile termice ale uleiurilor hidraulice sunt de ordinul 0,11÷0,135 W/m².K. In general, la lichide conductivitatile termice sunt mai mari ca la gaze si scad cu cresterea temperaturii.

Fluide hidraulice de utilizare curenta

Apa este cel mai vechi fluid hidraulic, folosit la primele utilaje actionate hidraulic in special la prese si elevatoare. Pentru aplicatiile curente actuale, apa prezinta o serie de neajunsuri cum sunt: domeniul limitat de temperatura (0100⁰C); calitati de lubrifiere foarte scazute; vascozitate redusa ( greutati mari in realizarea etansarilor); contine aer dizolvat, care in anumite conditii de presiune se degaja inrautatind comportarea sistemului si in unele cazuri determinand aparitia fenomenului de cavitatie. In amestec cu glicerina (67% glicerina si 33% apa), punctul de inghet coboara pana la -40°C, iar vascozitatea creste la 15cst, apropiindu-se de fluidele hidraulice curente. Amestecul de apa-glicerina are insa alte inconveniente: este higroscopic si catalizator in fenomenele de coroziune. In aplicatiile actuale, apa se foloseste ca fluid hidraulic numai in cazuri rare, atunci cand utilizarea celorlalte lichide nu este posibila.

Uleiurile minerale sunt in prezent cele mai folosite fluide hidraulice. Proprietatile lor, care le fac utilizabile in sistemele de actionare, se mentin intr-un ecart de temperatura suficient de mare (de la -45 la +135°C). Cu amelioratori de vascozitate (aditivi) se poate ajunge la o variatie mica a vascozitatii cu temperatura, pastrandu-se in acelasi timp rezistenta la oxidare la temperaturi mari, proprietatile antispumante si de lubrifiere. Temperatura limita superioara de lucru (excluzand evident temperatura de aprindere), este determinata de vascozitatea limita admisa de 23cst; la temperaturile cele mai joase de utilizare vascozitatea nu trebuie sa depaseasca valoarea de circa 5000 cst. La temperaturi de peste 70⁰C, anumite fractiuni volatile din uleiuri prezinta pericol de autoaprindere, motiv pentru care in unele cazuri se iau masuri speciale de presurizare a sistemelor hidraulice cu gaze inerte (azot, argon sau heliu), evitandu-se astfel contactul direct cu aerul.

In tara noastra se folosesc uleiuri hidraulice parafinoase H 19, H 35, H 57 (STAS 9506-84) pentru solicitari usoare (p = 50 bar; T = 50^oC) si uleiurile H 12, H 20 si H 38 (STAS 9691-84) pentru presiuni de pana la 30 MPa (300 har) si temperaturi de 2885^oC.

Fluide hidraulice sintetice

Limitele de temperatura, pericolul de autoaprindere si durata de exploatare sunt principalele marimi greu de atins sau de mentinut in cazul uleiurilor minerale; acesti factori au impus inlocuirea lor, in unele sisteme de actionare avand conditii speciale, cu fluide hidraulice sintetice.

Diesterii, utilizati ca lubrifianti in motoarele cu reactie, pot fi folositi ca lichide hidraulice in gama de temperaturi de -40 +205^oC. La temperaturi mai mari de 280^oC stabilitatea lor este foarte redusa: de asemenea, ataca unele metale (cuprul si aliajele lui), precum si unele materiale de etansare.

Silicat-esterii se folosesc in domeniul -54 +230^oC, iar pentru perioade scurte chiar pana la 260^oC. Au avantajul ca nu spumeaza daca sistemul de actionare este inchis (fara contact cu aerul) in schimb formeaza compusi solizi cu apa.

Siliconii poseda caracteristici de temperatura si vascozitate superioare tuturor lichidelor hidraulice. Pot fi utilizati pana la temperatura de +315°C. Prezinta dezavantajul unor proprietati de lubrifiere mai reduse, dar care pot li ameliorate cu aditivi, si de asemeni, variatia accentuata a modulului de elasticitate cu temperatura, fapt ce poate inlesni aparitia fenomenului de rezonanta hidraulica la frecvente joase.

Metalele lichide fi utilizate in unele cazuri ca fluide hidraulice. Se mentioneaza in special eutecticul NaK-77 cu vascozitate aproape constanta intre -10 si +760^oC. Prezinta pericolul oxidarii violente in aer, de aceea conditiile de etansare sunt extrem de pretentioase.

Alegerea fluidelor hidraulice

Se face tinand cont mai intai de cerintele impuse sistemului de actionare, in care intra in primul rand consideratiile de mediu ( temperatura si compozitia mediului gazos exterior) si compatibilitatea cu materialele din constructia sistemului (metalice si de etansare). Intervine apoi vascozitatea si in special variatia acesteia cu temperatura. Uleiurile parafinice rafinate cu solventi selectivi din grupa 400 si uleiurile din grupa 5-a, cu imbunatatiri speciale (unele uleiuri de turbina si de transformator), ofera caracteristici de vascozitate acoperitoare pentru toate aplicatiile.

Un element foarte important in alegerea fluidelor hidraulice il constituie durata de utilizare a lichidului hidraulic. Aceasta depinde de tipul sistemului: la cele cu circuit deschis, uleiurile pot fi utilizate intre 2000 si 5000 ore; la sistemele in circuit inchis, mult mai putin, aproximativ 500 ore.