19/02/2019
Muita atenção é dada à contaminação do fluido hidráulico, geralmente visto como sujeira, água e ar. Mas o calor também é bastante prejudicial para o fluido hidráulico e pode levar em conta tantas falhas de componentes quanto a contaminação “regular”.
A verdade inconveniente sobre as máquinas hidráulicas é que elas são sistemas geradores de calor. Eles não são únicos a esse respeito: a conversão e o controle de energia com 100% de eficiência permanecem indefinidos. Mas é minha opinião que ineficiência inevitável, que se manifesta como contaminação de energia do fluido hidráulico, não comanda a atenção que merece.
Com exceção do reservatório, cada componente em um sistema hidráulico é um dispositivo gerador de calor. O processo de mover o fluido hidráulico através de um condutor de A para B resulta em queda de pressão e, portanto, geração de calor. Instalar filtros de profundidade para controlar a contaminação de partículas também cria uma queda de pressão, o que aumenta a carga de calor. Bombas e motores vazam internamente, resultando em mais quedas de pressão geradoras de calor. A bomba de carga em uma transmissão hidrostática é 100% de carga térmica. Em circuitos abertos, orifícios geradores de calor, aceleradores (em todas as suas diversas formas) e hidrostatos são instalados para controlar a direção, fluxo e pressão - e as cargas são contrabalançadas pela instalação da resistência hidráulica.
Quedas de pressão que desperdiçam energia são uma característica inevitável dos sistemas hidráulicos.
O ponto é que a perda de energia - queda de pressão é um fato da vida nos sistemas hidráulicos. Eles podem (e devem) ser minimizados, mas não podem ser completamente eliminados. Então vamos parar de ignorar o elefante na sala. Porque, se não for controlada, a contaminação de energia é tão problemática quanto a contaminação por partículas, e possivelmente ainda mais.
A lubrificação adequada dos componentes hidráulicos e a eficiente transmissão de energia dependem da viscosidade do óleo. Se for permitido que a temperatura do fluido hidráulico exceda o necessário para manter a viscosidade em cerca de 20 centiSkeskes (cSt), a probabilidade de lubrificação limítrofe - resultando em atrito e desgaste - aumenta drasticamente.
A temperatura a que este ponto é atingido depende do grau de viscosidade do fluido e do seu índice de viscosidade (VI). O VI é uma medida da resistência de um óleo a mudanças na viscosidade com uma mudança na temperatura. Um óleo com um alto VI é freqüentemente chamado de óleo multi-grade. Óleos de grau múltiplo são freqüentemente especificados para equipamentos que devem operar a frio. O VI alto ajuda a evitar que a viscosidade do óleo aumente (espessamento) a baixas temperaturas. No entanto, um VI alto também ajuda a evitar que sua viscosidade diminua (desbaste) em altas temperaturas.
Por outras palavras, a temperatura crítica, no que diz respeito à viscosidade, pode ser relativamente baixa ou alta, dependendo do óleo a ser usado. Além disso, quanto maior a temperatura máxima de operação, maior será a janela operacional de temperatura. E quanto maior a janela operacional de temperatura, mais difícil é manter a viscosidade do óleo dentro dos limites permitidos.
Por exemplo, considere um sistema hidráulico com uma temperatura de partida a frio de 5 ° C (41 ° F) e uma temperatura operacional máxima de 110 ° C (230 ° F). Para manter a viscosidade entre 800 cSt na partida a frio e 25 cSt na temperatura máxima de operação, é necessário um óleo ISO VG 150 com um índice de viscosidade de 229. Este não é um tipo de óleo hidráulico que você pode chamar e buscar em seu fornecedor de petróleo local. . Óleos hidráulicos de uso comum têm graus de viscosidade ISO de 22, 32, 37, 46, 68 e 100. Um óleo hidráulico monograduado típico tem um VI de cerca de 100 e um multigraduado em torno de 150. Assim, mesmo que estivesse prontamente disponível, O óleo VG 150 com um VI de 229 seria um produto de preço premium, para dizer o mínimo.
Independentemente dos limites de viscosidade, que são extremamente importantes para a lubrificação adequada e operação eficiente, quando se trata de óleo, vedação e vida útil damangueira , a temperatura de perigo superior é menor que a de um banquete móvel. De acordo com a Lei de Arrhenius, para cada aumento de 10 ° C (18 ° F) na temperatura, a taxa de reação dobra. As reações químicas com as quais estamos preocupados em relação à vida útil do óleo hidráulico são a oxidação (a partir da presença de ar) e a hidrólise (da presença de água). Portanto, quanto mais quente o óleo, mais rápida a taxa dessas reações e exponencialmente.
A título ilustrativo, se você derramar um pouco de óleo de cozinha em um copo, levará dias (até semanas) para escurecer - sinal de oxidação. Mas se você derramar a mesma quantidade de óleo de cozinha em uma frigideira, o que dá ao óleo uma grande área de contato com o ar, e depois aquecê-lo, e o óleo ficará escuro em um espaço de tempo muito mais curto. Se a falha oxidativa do óleo hidráulico for permitida, os subprodutos da oxidação do óleo - verniz e lodo - causam problemas de confiabilidade, como filtros entupidos e obstrução do êmbolo da válvula.
Efeito da temperatura de operação na vida útil do óleo hidráulico. Medições tomadas no lado de retorno do reservatório. (Fonte: Fatos que valem a pena saber sobre hidráulica, Danfoss Fluid Power, p.17.)
O efeito dramático da temperatura de operação na vida útil do óleo hidráulico é ilustrado no nomograma mostrado. Se um sistema hidráulico operar a 85ºC (185ºF), a vida útil do óleo é 12% do que seria se o sistema operasse a 60ºC (140ºF). Se o sistema operar a 102ºC (216ºF), a vida útil do óleo é de apenas 3% do que seria se o sistema operasse a 60ºC (140ºF).
O calor pode danificar o óleo de duas maneiras. O primeiro foi apenas discutido: oxidação. A oxidação é uma reação química que é acelerada pela alta temperatura do óleo a granel e pela presença de ar. Esta é a degradação oxidativa "normal" do óleo.
O segundo envolve intenso aquecimento local do óleo. Causas comuns de calor intenso localizado são:
O importante é que o processo químico dessas duas formas de degradação oxidativa é diferente, então elas aparecem de forma diferente nos relatórios de análise de óleo. Degradação envolvendo aquecimento local intenso produz nitro-nitratos carbonosos no óleo. Sua normalmente aparece como nitração em um relatório de análise de óleo de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier ( FTIR ). Por outro lado, o óleo que se degrada através da oxidação “normal” produz carboxilatos metálicos e ácidos carboxílicos. A quantidade desses ácidos - e, portanto, a vida útil restante do óleo - é o que o teste do Número Total de Ácido (TAN) procura quantificar.
O óleo hidráulico não é a única coisa afetada pela contaminação de energia. Os elastômeros usados para fazer vedações hidráulicas e mangueiras estão melhorando o tempo todo. Mas as temperaturas do óleo acima de 82 ° C (180 ° F) aceleram a degradação da maioria desses polímeros. De fato, de acordo com o fabricante da vedação Parker Pradifa, temperaturas operacionais de 10 ° C (18 ° F) acima dos limites recomendados podem reduzir a vida útil da vedação em 80% ou mais.
Da mesma forma, de acordo com o fabricante de mangueiras Gates, a exposição de uma mangueira hidráulica a uma temperatura operacional de 10 ° C (18 ° F) acima do máximo recomendado reduz a vida útil esperada em 50%. Isso significa que um único evento de temperatura excessiva de magnitude significativa pode danificar todas as mangueiras e vedações, “rachar” o óleo e resultar em arranhões e desgaste de superfícies lubrificadas.
Se tudo isso não for ruim o suficiente, o ciclo constante de aquecimento e resfriamento - um processo conhecido como envelhecimento - é mais grave quando os extremos de temperatura são maiores. O envelhecimento faz com que os polímeros usados em vedações e mangueiras percam suas propriedades elásticas. O resultado final é o vazamento de mangueiras e vedações.
Então, qual é o número de temperatura operacional perigosa para sistemas hidráulicos? Por motivos já explicados, para evitar comprometer a vida útil do óleo, da mangueira e da vedação, trabalho sempre em um máximo de 85 ° C (185 ° F). No entanto , para evitar comprometer a viscosidade, lubrificação e eficiência do sistema, uma temperatura muito mais baixa pode ser respeitada: de 85 ° C (185 ° F) até 50 ° C (122 ° F) - ou talvez menor, dependendo o grau e o tipo de óleo sendo usado e, por extensão, as condições climáticas em que a máquina opera. Ficar abaixo desses limites máximos de temperatura o ano todo exigirá, na maioria das aplicações, que o sistema hidráulico da máquina use um resfriador de óleo casos, um grande problema .
A biografia de Steve Jobs, de Walter Isaacson, conta uma história sobre Jobs exigindo que um dos primeiros computadores Macintosh não contivesse um cooler. Foi a alegação de Jobs de que um fã de refrigeração diminui a experiência do usuário - e estou inclinado a concordar. Quando a ventoinha de arrefecimento do meu Alienware X51-R2 acelera, acho que é um pouco chato. De qualquer forma, apesar da resistência inicial de seus engenheiros na época, Jobs prevaleceu, e o modelo embarcado não continha um ventilador de refrigeração em seu gabinete.
Menciono essa história porque muitos construtores de máquinas hidráulicas e usuários finais compartilham a antipatia de Jobs por dispositivos de rejeição de calor - resfriadores de óleo, no nosso caso. Mas não se pode dizer que um resfriador de óleo em uma máquina hidráulica prejudique a experiência do usuário. Em vez disso, um resfriador de óleo - ou um resfriador de óleo de tamanho suficiente - é resistido devido a um ou mais dos seguintes itens:
De fato, durante um tempo em que eu estava projetando e construindo unidades de energia hidráulica para usuários finais, lembro-me de lidar com clientes cujo desejo não era o resfriador de óleo e o menor tanque possível!
A ideia de que aumentar o volume de óleo do tanque pode eliminar a necessidade de um resfriador de óleo é falha - em todos, menos no menor dos sistemas, em termos de potência de entrada. A fórmula para calcular a convecção de calor do tanque, em unidades SI, é:
P = ΔT × A × h ÷ 1.000
Onde:
P é calor rejeitado, kW
ΔT é a diferença de temperatura entre o óleo e o ar, ° C
A é a área da superfície do tanque, excluindo a base, m 2
H é o coeficiente convectivo de transferência de calor para ar, W / (m 2 ° C)
Use 12 para um espaço normalmente ventilado, 24 para ventilação forçada ou 6 para má circulação de ar.
Vamos considerar um tanque com um volume de óleo de 200 litros e área (excluindo sua base) de 1,7 m 2 , uma temperatura do ar ambiente de 35 ° C e uma temperatura de operação de 85 ° C em um espaço “normalmente ventilado”. a rejeição teórica do calor do tanque é:
(85-35) × 1,7 × 12 × 1.000 = 1 kW
Para fins de ilustração, digamos que esse cálculo seja muito conservador, então dobraremos o número acima. Em outras palavras, esperamos que o tanque de 200 litros irá dissipar 2 kW de calor. Trabalhando para trás a partir deste número, se quisermos que o sistema hidráulico tenha uma capacidade de refrigeração instalada de 25% da potência de entrada (e o tanque é o único resfriamento instalado), a potência de entrada contínua máxima permitida é de apenas 8 kW! Obviamente, a ideia de um tanque grande (ou maior) em vez de um resfriador de óleo não é realista na maioria das aplicações.
Se você aceitar o fato de que as quedas de pressão que desperdiçam energia são inevitáveis em qualquer máquina hidráulica, então também existe um resfriador de óleo de tamanho adequado na maioria das aplicações. Porque quando se trata de confiabilidade da máquina hidráulica, a contaminação descontrolada da energia pode ser tão ruim, ou pior, do que a contaminação descontrolada de partículas.
