Tribotechnické listy

 

 

Několik příkladů z proaktivní údržby hydraulických systémů

Stav hydraulického oleje je ovlivněn mnoha faktory, v prvé řadě typem a konstrukcí zařízení, čistotou zařízení před spuštěním, provozními podmínkami, samozřejmě kvalitou oleje a způsobem a kvalitou péče o něj. Jedním z velmi důležitých provozních ukazatelů je spolehlivost provozu, která velmi úzce souvisí s čistotou celého olejového systému. Čistota oleje však také souvisí s přítomností vzduchu a vody v oleji. Udržet olej po celou dobu jeho životnosti velmi čistý jednak tuto životnost prodlužuje, ale především pomáhá zabezpečit bezporuchový provoz celého zařízení.

 

Dobrou péčí o hydraulický olej můžeme také významně prodloužit jeho životnost. Na 6 příkladech je ukázána důležitost monitorování hydraulických olejů a systémů pomocí analýz vzorků hydraulického oleje, ale také důležitost provádění komplexních rozborů a správného vyhodnocení jejich výsledků.

 

Hydraulické oleje

Hydraulický olej je určen pro přenos síly určené k vykonání nějaké práce v hydraulickém systému. Jeho funkcí je přitom mazat, těsnit, chladit, chránit proti korozi a být kompatibilní se všemi součástmi hydraulického sytému (typicky těsnění). Tyto požadavky přinášejí vysoké nároky na olej, proto je stále důležitější ošetřování a monitorování jeho stavu, jinými slovy je důležité proaktivně udržovat hydraulický olej v dobrém stavu a tím přispívat k bezporuchovému provozu hydraulických systémů. Se zvyšujícími se tlaky v hydraulických systémech a naopak se zmenšujícími se rozměry vůlí ve ventilech se zároveň zvyšují požadavky na čistotu hydraulických olejů.
K charakterizaci hydraulických olejů a jejich zařazení do příslušné aplikační skupiny ve spektru průmyslových olejů se využívá především ČSN ISO 6743/0. Nejčastěji používané jsou oleje skupiny HM, které jsou typicky vybaveny antioxidanty, protikorozními přísadami a protioděrovými přísadami. Dále mohou obsahovat protipěnivostní přísady, zlepšovače nízkoteplotních vlastností ad. V hydraulických systémech mobilních strojů se používají oleje typu HV, které mají k aditivaci olejů HM přidán ještě zlepšovač viskozitního indexu, neboť musí pracovat i při záporných teplotách okolí. Z dalších skupin lze například uvést řadu hydraulických olejů s omezenou hořlavostí, dále řadu hydraulických olejů šetrných k životnímu prostředí (použití v zemědělských lesních a stavebních mechanizmech, kde hrozí možnost úniku oleje do životního prostředí).

 

Proaktivní údržba hydraulických olejů

Neplánované opravy a odstávky výrobních strojů a velké zásoby náhradních dílů způsobují pokles produkce a vzrůst nákladů. Proaktivní („vstřícná") údržba je taková, při které se na vznik poruch nečeká, ale je snaha jim aktivně předcházet. Tento způsob údržby ovlivňuje výrazně spolehlivost provozu. Monitorování stavu oleje po celou dobu provozu, sledování průběhu změn vlastností a jeho správné ošetřování - to je proaktivní údržba průmyslových olejů.

Monitorování stavu hydraulického systému a oleje
Při sledování stavu hydraulických systémů a hydraulických olejů se stejně jako při sledování jiných strojních zařízení a olejů v nich použitých provádějí analýzy oleje zaměřené na tři důležité skupiny - opotřebení stroje, stav oleje a znečištění oleje. V případě hydraulických systémů lze říci, že sledování znečištění oleje má zvláštní význam.


Pro pravidelné sledování hydraulických olejů se využívají následující parametry:

Viskozita : sleduje se pravidelně kinematická viskozita při 40 °C, jedná se o základní parametr všech mazacích olejů; potvrzuje hlavně, zda byl použit správný olej nebo zda nedošlo k doplnění jiným olejem; správná viskozita je důležitá pro vznik pokud možno hydrodynamického režimu mazání a vytvoření optimální tloušťky mazacího filmu. Postup stanovení je uveden v ČSN EN ISO 3104. Pokud se jedná o olej typu HV, stanovuje se také viskozita při 100 °C a hodnota viskozitního indexu.

Obsah vody: hydraulické oleje se dnes jednoznačně zařadily do skupiny průmyslových olejů, ve kterých by celkový obsah vody neměl překročit hranici 500 ppm. Doporučená maximální hranice obsahu vody se dokonce pohybuje na úrovni 200 ppm. Standardně se pro stanovení obsahu vody využívá coulometrická titrace (ASTM D 6304). Pro sledování obsahu vody lze také využít infračervenou spektrometrii.

Znečištění: v současnosti se u hydraulických olejů standardně stanovuje kód čistoty nebo celkové znečištění filtrací na membráně s porozitou 0,8 a 0,45 µm. Zde nemohu než zopakovat notoricky známou skutečnost, že většina poruch hydraulických systémů je způsobena nadměrným množstvím nečistot všeho druhu v hydraulickém oleji. Podle statistiky udělané v USA (4) lze vyčištěním oleje z hladiny 20/17 (ISO 4406:1987) na hladinu 14/11 prodloužit životnost stroje 5x a z hladiny 19/16 na tutéž hladinu 4x.

Obsah prvků: standardně se využívá přímé stanovení obsahu prvků v oleji pomocí optické emisní spektrometrie s indukcí vázaným plazmatem. Takto lze stanovit více než 20 prvků ve vzorku oleje. Prvky lze rozdělit do tří skupin - otěrové kovy, které se využívají k monitorování stavu hydraulického systému a jeho částí (např. železo, měď, hliník, chrom, nikl...); prvky, které bývají součástí znečištění (křemík, bor, sodík....); prvky, které jsou součástí přísad (zinek, fosfor, vápník ..). Je důležité uvědomit si, že některé prvky mohou patřit do více skupin - například hliník je otěrový kov, ale zároveň je součástí prachu společně s křemíkem. Bor může být součástí přísad, ale i znečisťující element.

Degradace oleje: Pro sledování degradace oleje se využívá infračervená spektrometrie. S pomocí této metody lze sledovat mnoho důležitých faktorů, ale pro monitorování stavu oleje v rámci diagnostiky se využívá především sledování produktů oxidace oleje, jejichž vznik a nárůst jejich množství znamená vždy velký problém končící většinou výměnou oleje.

Ošetřování hydraulických olejů
Sebelepší olej by nemohl plnit svou funkci po maximálně možnou dobu bez správného ošetřování a monitorování aktuálního stavu. Monitorování stavu oleje byla věnována předchozí část, zde bychom chtěli stručně uvést možnosti správného ošetřování hydraulického oleje za provozu. Během provozu je z oleje především nutné odstraňovat nežádoucí látky a příměsi. To se týká hlavně vody a nečistot včetně případných oxidačních produktů.
Pro likvidaci vody z olejového systému je možné použít několik metod. Je vždy důležité aplikovat metodu, která dovede pracovat s vodou volnou i vázanou. Pro tyto účely lze použít speciální přístroje - dehydrátory, které umožňují snížit obsah vody až na cca 0,01 % (100 ppm). Pro odstraňování vody je možné také využít výkonné odstředivky, ty ovšem neodstraní tzv. vázanou vodu. Velmi zajímavou je metoda „vysoušení" vody pomocí suchého vzduchu v nádrži nad hladinou oleje. Čím více stoupá teplota oleje, tím více stoupá teplota vzduchu v nádrži a tím také stoupá i vlhkost vzduchu v nádrži, protože olej má tendenci vodu odpařovat. Proto je vlhký vzduch z prostoru vzduchového polštáře nádrže odsáván, v mobilní sušičce se ochlazuje, vlhkost se sráží do kondenzátu a je odváděna mimo systém. Suchý vzduch je vracen opět do nádrže. Vysušování probíhá v uzavřeném okruhu, aby zvenčí nemohlo dojít k pronikání částic znečištění z prostředí.
Pro odstranění znečištění z hydraulického oleje je možné využít také několik různých způsobů čištění. V prvé řadě je to standardní filtrace. Plnoprůtokové filtry bývají zařazeny do výtlaku oleje za čerpadlem, musí mít dostatečnou průtočnost, aby nedocházelo k poruchám mazání a většinou nezachycují ty nejmenší částice mechanického znečištění v řádu mikrometrů. Nejsou také schopny odstranit vodu a oxidační produkty. Obtokové (by-passové) filtry jsou jemnější, zachycují částice v řádu mikrometrů, jsou schopny zachytit i určité množství vody, neodstraňují ale produkty oxidace oleje v počáteční fázi jejich vzniku. Kromě toho se v obtoku využívají filtry určené speciálně pro odstraňování vody. V obtoku se také používají odstředivky odstraňující z oleje vodu i nečistoty.
Do obtoku jsou zařazovány také přístroje pro elektrostatické čištění olejů, které odstraňují všechny v oleji nerozpustné částice bez rozlišení tvaru, velikosti a vlastností včetně produktů oxidace. Kontinuální metoda elektrostatického čištění je schopna řešit problematiku znečištění hydraulických olejů i systémů. Zásadní rozdíl oproti dříve uvedeným metodám čištění je právě v odstraňování produktů oxidace oleje od okamžiku jejich vzniku v oleji.

 

Praktické příklady z aplikace proaktivní údržby hydraulických systémů

 

Záměna olejů
Špatná funkce hydraulického systému vstřikovacího lisu byla příčinou analýzy vzorku hydraulického oleje. Olej ve stroji měl být Mogul HM 46. Výsledky provedené analýzy jsou shrnuty v tabulce 1.

 


Tabulka 1 - Výsledky analýzy hydraulického oleje

Naměřené hodnoty sice odpovídají oleji typu HM, ale viskozitní třídě 32 a ne uvedené 46. Pro komplexní vyhodnocení byla ještě provedena infračervená analýza vzorku. Spektrum bylo porovnáno se spektrem oleje Mogul HM 46. Jak je zřejmé z rozdílového spektra - viz obr.1, mezi vzorkem a olejem Mogul HM 46 jsou evidentní rozdíly jak v základovém oleji, tak v přísadách. Závěr analýzy byl, že problémy byly způsobeny především neodpovídající viskozitou použitého oleje. Jeho aditivace obecně odpovídala typové řadě hydraulických olejů HM, také viskozitní index, číslo kyselosti a obsah zinku odpovídaly.

 


Obrázek 1 - Rozdílové infračervené spektrum vzorku a referenčního oleje

Degradace hydraulického oleje
V hydraulickém lisu, na kterém se lisují plechové díly pro výrobu osobních automobilů, je nasazen hydraulický olej typu HM 46. Lis pracuje v nepřetržitém provozu, olej je analyzován a v pravidelných intervalech je nasazováno přídavné čištění oleje. V tabulce 2 jsou výsledky analýz oleje. Celkové nečistoty u prvních 2 vzorků byly stanoveny na membráně s póry 0,8 mm, u ostatních vzorků byly použity již membrány s póry 0,45 mm.


Tabulka 2 - Výsledky analýz oleje z hydraulického lisu

Z tabulky 2 je vidět zajímavý rozpor mezi kódem čistoty a hodnotou celkových nečistot, který je i znázorněn na obr. 2. Přitom obsah aditivního prvku zinku a hodnota viskozity zůstávají po celé sledované období v pořádku.

 

Obrázek 2 : Průběh hodnot kódu čistoty NAS 1638 a celkových nečistot

 

Vysvětlení jsme našli pomocí infračervené spektrometrie a bylo i naznačeno vzhledem membrány po stanovení celkových nečistot v dubnu 2009. V infračerveném spektru vzorku z dubna 2009 jsou zřejmé pásy produktů termooxidační degradace oleje - viz obr. 3, membrána po stanovení celkových nečistot má tmavohnědou barvu - viz obr. 4. Přestože tedy z hlediska částic je olej velmi čistý a obsah aditivního prvku zinku (antioxidant/protioděrová) je dostatečně vysoký, je olej významně degradován.

 


Obrázek 3 : Produkty degradace oleje v infračerveném spektru vzorku


Obrázek 4 : Vzhled membrány po stanovení celkových nečistot v dubnu 2009

Vzorky oleje z jiného lisu ve stejném podniku ukázaly stejný problém trochu jinými prostředky. Na obrázku 5 je zřejmý pokles čísla kyselosti a vzestup viskozity oleje, na obrázku 6 je pak z porovnání infračervených spekter vzorků z prosince 2006 a června 2007 jasný pokles obsahu antioxidantů v oleji.

Obrázek 5 : Průběh hodnot viskozity a čísla kyselosti hydraulického oleje


Obrázek 6 : Změna obsahu antioxidantů ve vzorku z června 2007 proti vzorku z prosince 2006

Znečištění a opotřebení
Na obrázku 7 je ilustrován vliv přídavného čištění hydraulického oleje na stabilizaci znečištění oleje a následně na stabilizaci opotřebení částí hydraulického systému. Vlivem velkého znečištění na začátku sledování (obsah křemíku a částečně hliníku znamená prach v oleji) byl i zvýšený obsah otěrových kovů železa a mědi (+ částečný podíl hliníku). Po nasazení přídavného čištění se obsah prachu v oleji zřetelně snížil a postupně došlo k poklesu i obsahu otěrových kovů.

 


Obrázek 7 : Sledování obsahu prvků v hydraulickém oleji

 

Na dalších dvou obrázcích jsou ukázány problémy hydraulických systémů v důlním provozu. Vzorky jsou odebírány ze systému kráčení těžebního stroje. Použitý olej je typ HM 46 s klasickou aditivací. Na obrázku 8 je zřejmý vliv typického problému v důlním provozu - znečištění prachem - na zvýšení opotřebení.

 


Obrázek 8 - Vliv prachu (obsah Si) na zvýšené opotřebení hydraulického systému

Na obrázku 9 je demonstrován jiný problém - vlivem velkých nároků na nepřetržitý provoz a rychlé řešení problémů se při dobývání uhlí občas přihodí, že není doplněn ten správný olej. V tomto konkrétním případě byl olej viskozitní třídy 32 doplněn do oleje třídy 46, což vedlo k poklesu viskozity oleje v hydraulickém systému. Zvýšené opotřebení na sebe nenechalo dlouho čekat.

 


Obrázek 9 - Vliv nižší viskozity oleje na opotřebení hydraulického systému

 

Závěr

Na hydraulické oleje jsou v provozu různých hydraulických systémů kladeny značné nároky. Olej může svou funkci dobře a spolehlivě plnit a tím přispívat k bezporuchovému provozu jen pokud je dobře ošetřován a pravidelně sledován. Ve svém příspěvku jsem tuto skutečnost předvedl na několika příkladech z reálného provozu hydraulických systémů v různých pracovních prostředích. Zároveň byla dokumentována důležitost provádění komplexních a správně vyhodnocených analýz hydraulických olejů.

 

Vladimír Nováček

 

Späť

TriboTechnika 4/2019

TriboTechnika_4_2019 by TechPark Vydavatelstvo on Scribd