Układy hydrauliczne należą do najważniejszych, obok elektrycznych, elektronicznych i pneumatycznych, układów sterowania wykorzystywanych w maszynach produkcyjnych. Znajdują zastosowanie w branży spożywczej, farmaceutycznej, górniczej, budowlanej, militarnej i innych. Układy te muszą spełniać wysokie wymagania dotyczące bezpieczeństwa, dlatego tak ważny jest dobór cieczy hydraulicznej, która jest ich elementem roboczym.
Układ hydrauliczny jest zespołem elementów przeznaczonych do przekazywania energii lub sterowania za pośrednictwem cieczy hydraulicznej pod ciśnieniem, w układzie zamkniętym. Jego elementem roboczym jest ciecz hydrauliczna (zwana również cieczą roboczą, olejem hydraulicznym lub płynem hydraulicznym).
Elementem wprawiającym w ruch układ hydrauliczny jest napęd, który przekazuje i przekształca energię w ruchy urządzeń wykonawczych. Wyróżnia się dwa główne typy tych napędów: hydrokinetyczne i hydrostatyczne. Napędy hydrokinetyczne to mechanizmy (elementy maszyn) wykorzystujące energię kinetyczną cieczy. Napędy hydrostatyczne to mechanizmy (elementy maszyn), w których energia przekazywana jest przez zmianę ciśnienia, bez dużych zmian prędkości cieczy hydraulicznej.
Funkcje cieczy hydraulicznej
Ciecze hydrauliczne to produkty oparte na olejach mineralnych ropopochodnych, bazach syntetycznych, takich jak PAO, PAG czy bazy estrowe. Produkowane są też trudnopalne ciecze hydrauliczne – wodorozcieńczalne – i oleje trudnopalne.
Ciecz hydrauliczna ma za zadanie przenieść energię z napędu hydraulicznego (zwykle pompy hydraulicznej) do odbiorników (elementów wykonawczych), czyli cylindrów i silników hydraulicznych. Rea-sumując, funkcje cieczy hydraulicznej to:
→ przenoszenie energii i sygnałów sterujących,
→ smarowanie ruchomych elementów,
→ odprowadzanie ciepła,
→ odprowadzanie zanieczyszczeń stałych z układu,
→ uszczelnianie układu.
Dodatkowe funkcje cieczy hydraulicznych:
→ zmniejszanie zużycia części układu hydraulicznego,
→ ochrona przed korozją,
→ zabezpieczenie przed szkodliwym działaniem wody,
→ zabezpieczenie przed szkodliwym działaniem powietrza.
Normy dotyczące cieczy
Obecnie powszechnie jest stosowana klasyfikacja cieczy hydraulicznych według norm ISO 6743-4:2015 (EN-ISO 6743–4:2015), wprowadzonych normą polską PN-EN ISO 6743-4:2015-09 – „Środki smarowe, oleje przemysłowe i produkty podobne (klasa L). Klasyfikacja. Część 4: Grupa H (Układy hydrauliczne)”.
W tabeli przedstawiono parametry techniczne cieczy hydraulicznych według klasyfikacji norm DIN 51524 oraz ISO 6743-4.
Ze względu na postępujący downsizing (redukcja kubatury) – również w urządzeniach przemysłowych – współczesne oleje hydrauliczne muszą spełniać coraz ostrzejsze normy oraz mieć stosowne aprobaty techniczne producentów układów hydraulicznych. Są to np. aprobaty Vickers 35VQ25, Denison-Parker HF-0 czy najnowsza Bosch-Rexroth RDE 90235.
Rodzaje cieczy hydraulicznych
Pierwotnie cieczą hydrauliczną była woda. W tej chwili wykorzystywana jest rzadko ze względu na powodowanie korozji (więc jeśli jest stosowana, to z dodatkami antykorozyjnymi), osadzanie się kamienia kotłowego, odparowywanie, zbyt niską lepkość, złe właściwości niskotemperaturowe, a przede wszystkim brak niezbędnych właściwości smarnych i przeciwzużyciowych. Nowoczesne układy hydrauliczne pracują na bazie cieczy stanowiących uszlachetnione oleje mineralne lub roślinne zmodyfikowane. W przypadku gdy musi być zastosowana substancja trudnopalna, używa się specjalnych cieczy syntetycznych albo cieczy zawierających wodę.
Jako ciecze hydrauliczne są stosowane oleje o klasach lepkości od ISO VG 5 do ISO VG 300, o składzie chemicznym dostosowanym do warunków pracy i materiałów konstrukcyjnych układu, przy czym najbardziej popularne to VG 32, 46 oraz 68. Są to:
→ rafinowane oleje mineralne,
→ oleje syntetyczne na bazie PAO,
→ oleje na bazie estrów poliolowych,
→ oleje syntetyczne na bazie poliglikolowej,
→ oleje roślinne
i jako tzw. trudnopalne ciecze hydrauliczne:
→ estry kwasu fosforowego,
→ emulsje wodno-olejowe,
→ emulsje olejowo-wodne,
→ wodne roztwory glikoli i poliglikoli,
→ wodne roztwory polimerów.
Przykładowe zastosowanie olejów modyfikowanych chemicznie:
→ oleje mineralne, o wysokim wskaźniku lepkości i niskiej temperaturze płynięcia. Mogą być stosowane w urządzeniach pracujących w bardzo trudnych warunkach, zmiennej temperaturze i wilgotności powietrza. Należą do nich oleje Mobil z serii Glygoyle, przeznaczone do przekładni, łożysk i sprężarek;
→ oleje silnikowe oraz oleje do przekładni hydrokinetycznych. Oleje te mają większość właściwości olejów hydraulicznych. Są zalecane przez różnych producentów maszyn budowlanych, równolegle z olejami hydraulicznymi, a także w górnictwie;
→ oleje hydrauliczne z detergentami. Są to oleje odpowiadające klasie jakości według normy DIN HLPD lub HVLPD, lecz z możliwością dyspergowania pewnych ilości wody. Mają zastosowanie np. w układach hydraulicznych maszyn do obróbki metali.
Jaki olej do jakich zastosowań?
Radosław Lenart, szef Biura Technologii OT firmy LOTOS Oil
Oleje hydrauliczne, tak jak pozostałe środki smarne, powinny być produkowane w możliwie najwyższej klasie czystości. Każdy rodzaj zanieczyszczeń oleju powoduje podczas eksploatacji uszkodzenia układów hydraulicznych. Dodatkowo dla olejów hydraulicznych dostępne są dwie technologie wykonania: na bazie dodatków uszlachetniających cynkowych oraz bezcynkowych. Z definicji oleje bezcynkowe stosuje się w przypadku narażenia na zanieczyszczenie wilgocią czy wodą, gdyż dodatki cynkowe są podatne na hydrolizę prowadzącą do ich rozkładu. Dodatki cynkowe i bezcynkowe dodaje się do olejów hydraulicznych w celu ochrony przed zużyciem i uszkodzeniem elementów układu hydraulicznego.
W przemyśle najbardziej rozpowszechnione są mineralne oleje klasy L-HM (ISO) i HLP (DIN) oraz L-HV (ISO) i HVLP (DIN). Wynika to z warunków eksploatacji najczęściej występujących w przemyśle. Oleje klasy HV to oleje klasy HM z dodatkiem wiskozatora powodującego mniejszą zależność lepkości kinematycznej oleju od temperatury.
Reasumując, oleje klasy HV należy stosować w przypadku eksploatacji w zmiennych warunkach temperatur. Ułatwia to rozruch samego układu hydraulicznego (w niskich temperaturach) oraz zapobiega dużym spadkom lepkości kinematycznej w wyższych temperaturach. Oleje klasy HM są najbardziej popularną klasą jakościową oleju, przeznaczoną do wysilonych układów przeniesienia napędu i sterowania hydraulicznego.
Najbardziej powszechne klasy lepkości dla olejów hydraulicznych to VG: 32, 46 i 68, dla których wydawane są aprobaty.
Cechy właściwie dobranej cieczy
Dobór cieczy hydraulicznej zależy przede wszystkim od warunków eksploatacji układu hydraulicznego, którego jest integralnym elementem. A zatem wybór ten zależy: od obciążeń termicznych, ciśnień, pod jakimi pracuje dany układ, przenoszonych obciążeń mechanicznych, ale także tego, czy olej narażony jest na kontakt z wilgocią. Uzależniony jest ponadto od stopnia skomplikowania układu hydra-ulicznego (np. obecności serwozaworów), ewentualnych zanieczyszczeń zewnętrznych, jak np. zapylenie, czy od stanu samego układu hydraulicznego. W celu zapewnienia poprawności działania oraz trwałości i niezawodności układu hydraulicznego ciecz hydrauliczna musi mieć właściwości niezbędne do przekazywania energii, smarowania i ochrony, a więc:
→ odpowiednią lepkość – możliwie jak najmniejsze zmiany lepkości w funkcji temperatury,
→ wymaganą pompowalność w najniższej temperaturze użytkowania oraz w obecności wody,
→ mały moduł ściśliwości,
→ szybkie wydzielanie powietrza,
→ dobre właściwości przeciwzużyciowe,
→ dobre właściwości przeciwkorozyjne i przeciwrdzewne,
→ wysoką temperaturę zapłonu,
→ niską temperaturę płynięcia,
→ bardzo dobrą filtrowalność,
→ bardzo dobrą deemulgowalność,
→ wysoką odporność na pienienie,
→ stabilność w czasie pracy, to znaczy odporność na utlenianie, ścinanie i degradację termiczną.
Łatwopalne i trudnopalne
W niektórych zastosowaniach obecność substancji łatwopalnych lub poddawanych bardzo wysokim temperaturom może spowodować zapalenie olejów hydraulicznych, np. podczas przypadkowego pęknięcia elastycznego przewodu hydraulicznego i możliwego wtedy kontaktu rozlanego oleju z gorącą powierzchnią lub ogniem. W takim przypadku konieczne jest stosowanie trudnopalnych cieczy hydraulicznych. Dotyczy to np. przemysłu metalurgicznego, energetycznego czy wydobywczego. Na trudne warunki, jakie panują w kopalniach, składają się: podwyższone temperatury, wysoka wilgotność, bardzo duże zapylenie oraz rozmaite zanieczyszczenia, których specyfika zależna jest od kopalin, a więc sól czy związki miedzi.
W przypadku narażenia na kontakt z otwartym ogniem, źródłem bardzo wysokich temperatur, jakie występują np. w hutach, należy stosować ciecze hydrauliczne np. klasy HFC (takie jak Emulkop HFC firmy LOTOS Oil lub HYDROFLUID HFC 46 firmy ORLEN OIL – gotowe ciecze hydrauliczne czy HFAE (Emulkop EKO lub HYDROKOP – wodorozcieńczalny koncentrat). Z kolei z uwagi na szczególne warunki panujące w podziemnych wyrobiskach górniczych wymaga się stosownych atestów, np. atestu Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach. Odrębną grupę stanowią oleje HFDU – są to niepalne ciecze hydrauliczne.
Do najbardziej ekstremalnych warunków eksploatacji przeznaczony jest najnowszy olej firmy LOTOS Oil – HYDROMIL L-HM BA, posiadający aprobatę Bosch-Rexroth RDE 90235, natomiast do eksploatacji w zmiennych temperaturach – HYDROMIL L-HV BA. Aprobaty są potwierdzeniem najwyższej klasy produktu, wytwarzanego w niezmiennych, najwyższych parametrach.
Przemysław Niedzielski, kierownik Działu Strategii Produktów ORLEN OIL
Coraz częstsza customizacja olejów hydraulicznych
W opracowaniach dotyczących płynów hydraulicznych spotyka się podział produktów ze względu na branże, dla których są przeznaczone. Jednak poza kilkoma wyjątkami – m.in. branża spożywcza, górnictwo, hutnictwo, leśnictwo – generalnie stosuje się standardowe oleje hydrauliczne. Oczywiście charakterystyka otoczenia i panujące tam temperatury, ciśnienia, wilgotność mogą być różne dla danej branży czy zakładu, dlatego coraz częściej mamy do czynienia z customizacją produktu, czyli dostosowaniem oleju do konkretnych potrzeb danej branży czy procesu.
Ekologia
Mineralne ropopochodne oleje hydrauliczne w przypadku uwolnienia do środowiska naturalnego powodują skażenie przede wszystkim gleby oraz wód – ze względu na ropopochodny olej bazowy oraz dodatki uszlachetniające, jakie wchodzą w skład olejów tego typu. Z myślą o ochronie środowiska dąży się też do ograniczania np. dodatków uszlachetniających opartych na związkach cynku. W przypadku eksploatacji układów hydraulicznych na terenach leśnych, akwenach wodnych i innych obszarach wrażliwych ekologicznie, wymaga się stosowania olejów biodegradowalnych. Do tej grupy zaliczane są ciecze hydrauliczne w zasadzie niezawierające wody: HETG, HEPG, HEES, HEPR. Dopuszczalna zawartość oleju bazowego to min. 70%.
Przykładowo firma ORLEN OIL oferuje produkty HYDROL BIO HETG EL 46 i HYDROL BIO HEES EL 46, które zalecane są do stosowania w przemysłowych i mobilnych hydrostatycznych układach hydraulicznych, gdzie istnieje potencjalne ryzyko przedostania się oleju do środowiska. Są przeznaczone do:
→ układów hydraulicznych maszyn i urządzeń używanych w leśnictwie i rolnictwie;
→ układów hydraulicznych maszyn i urządzeń eksploatowanych w budownictwie (roboty ziemne);
→ konstrukcji i urządzeń hydroenergetycznych;
→ konstrukcji i urządzeń okrętowych;
→ maszyn i urządzeń przemysłowych.
Ciecze hydrauliczne pracują w układach hydraulicznych dopuszczonych do użytkowania w miejscach szczególnie chronionych, jak rezerwaty, parki narodowe, miejscowości uzdrowiskowe, miejsca w pobliżu wód powierzchniowych itp. Radosław Lenart, szef Biura Technologii OT firmy LOTOS Oil, stwierdza, że pomimo odpowiednich aktów wykonawczych w dalszym ciągu w Polsce nagminne jest ich obchodzenie. Z tego też powodu nie jest to popularna jeszcze grupa produktowa. Przemysław Niedzielski, kierownik Działu Strategii Produktów ORLEN OIL, dodaje jednak, że pomimo niskiego jeszcze udziału biodegradowalnych olejów hydraulicznych w całym segmencie olejów hydraulicznych firma obserwuje wzrost zainteresowania tego typu środkami smarowymi m.in. w obszarze budowli hydrotechnicznych, kopalni odkrywkowych czy leśnictwa.
Przykładowe zastosowania w przemyśle
Wysokie wymagania stawiane są układom pracującym w przemyśle spożywczym, gdzie dopuszczane są do stosowania płyny mające stosowne atesty i certyfikaty. Niektóre z tych cieczy mogą mieć jednorazowy kontakt z żywnością, dlatego nie mogą zawierać składników stanowiących zagrożenie chemiczne dla człowieka w razie takiego kontaktu. Ponadto musi je charakteryzować wysoka temperatura zapłonu, odporność na szybkie starzenie oraz odpowiednia lepkość podczas pracy. Oczekiwaną właściwością w tych warunkach jest wysoka trwałość i wydajność.
Do takich produktów należą oleje NEXLUBE AW. Są one produkowane na bazie olejów syntetycznych, spełniają wymagania stawiane produktom dopuszczonym do kontaktu z żywnością i do produkcji farmaceutyków. Syntetyczny olej bazowy nadaje NEXLUBE własności nisko- i wysokotemperaturowe. Dzięki dodatkom uszlachetniającym oraz certyfikatowi amerykańskiej FDA (Food and Drug Administration) można je stosować w przemysłach: spożywczym, kosmetycznym i farmaceutycznym – wszędzie tam, gdzie możliwy jest kontakt środka smarnego z wytwarzanym produktem.
Warunki, w jakich pracują układy hydrauliczne w górnictwie, obejmują szeroki zakres temperatur, wysokie zapylenie, dużą wilgotność, trudne warunki eksploatacyjne. Z tego powodu w tej branży stosuje się przede wszystkim:
→ ciecze trudnopalne i niepalne, stosowane w razie występowania niebezpieczeństwa pożaru; ochrony środowiska naturalnego, gdzie występują nieuniknione przecieki zewnętrzne i stosowanie oleju mineralnego staje się nieopłacalne, stąd trzeba go zastąpić znacznie tańszą cieczą na bazie wody;
→ emulsje olejowo-wodne lub wodno-olejowe niepalne;
→ wodę.
Do grupy olejów hydraulicznych dla branży górniczej należy HYDROL EXTRA L-HV firmy ORLEN OIL. Jest to olej hydrauliczny o wysokim wskaźniku lepkości (ISO VG: 32, 46, 68) i odporności na ścinanie. Jego skład zapobiega tworzeniu kwasów i szlamu w wyniku utleniania oleju, szczególnie w ciężkich warunkach pracy i wysokich temperaturach. Zawiera dodatki uszlachetniające zabezpieczające układ przed korozją i chroni przed zużyciem powierzchnie elementów trących w układach pomp hydraulicznych. Zapewnia bardzo dobrą filtrowalność nawet w układach zanieczyszczonych niewielkimi ilościami wody. Wysoki wskaźnik lepkości oraz właściwości niskotemperaturowe zapewniają pracę w szerokim zakresie temperatur i swobodny rozruch w niskich temperaturach otoczenia.
Literatura
Materiały informacyjne firmy LOTOS Oil.
Total Poland, „Wiedzieć więcej”, rozdział 11: „Ciecze do układów hydraulicznych”, https://gacol.pl/files/UserFiles/rozdzial%2011.pdf.
„Górnictwo. Perspektywy i zagrożenia. Mechanizacja prac górniczych”, red. W. Biały, J. Brodny, S. Czerwiński, Gliwice 2014,
http://wydawnictwo.panova.pl/pliki/Mono/MechS.pdf.
„Oleje dla przemysłu spożywczego”, https://olejeklimowicz.pl/oleje-dla-przemyslu-spozywczego/.
Aleksandra Solarewicz – publicystka, od 1997 r. współpracuje z prasą branżową.
