Slovenská poľnohospodárska univerzita, Nitra
Tr. A. Hlinku 2
949 76 Nitra
e-mail: radoslav.majdan@gmail.com

 
 


Vlastnosti prevodových a hydraulických olejov traktorov

V súčasnosti sa v traktoroch používa spoločná olejová náplň pre hydraulický a prevodový systém alebo sú tieto systémy oddelené a každý z nich používa vlastný olej. V prípade prvej alternatívy sa používajú oleje typu UTTO (Universal Transmission Tractor Oil) teda univerzálne oleje, ktoré zabezpečujú mazacie a ďalšie funkcie v prevodovke a zároveň slúžia ako zásoba oleja do hydraulického systému traktora. Výhodou tohto riešenia je, že potrebujeme len jeden olej pre oba systémy. Nevýhodou je znečisťovanie prevodového oleja starými olejmi zo strojov pripojených k hydraulickému okruhu (pluhy, kultivátory, sejačky...) a tiež znečisťovanie hydraulického oleja časticami opotrebenia prevodového systému. V prípade druhej alternatívy sa používa prevodový olej do prevodovky a hydraulický do hydrauliky traktora. Výhodou je, že každý olej pracuje vo svojich podmienkach a navzájom sa neovplyvňujú. V tomto prípade je oveľa jednoduchšie aplikovať ekologickú hydraulickú kvapalinu, ktorá nie je zaťažená prácou v prevodovom systéme (najmä teplom, ktoré vzniká v mokrých brzdách a spojkách). Nevýhodou je potreba dvoch samostatných kvapalín pre každý systém.

Ekologické oleje

Neustále zvyšovanie požiadaviek na ekologickú prevádzku mobilných strojov vrátane poľnohospodárskej techniky, vyžaduje prijímať a realizovať celý rad technických a do určitej miery aj organizačných opatrení. Jednou z možností ako zvýšiť ekologickú prevádzku poľnohospodárskej techniky je náhrada minerálnych olejov ekologickými. Pretože najväčšie nebezpečenstvo úniku oleja hrozí v hydraulických sústavách a mechanizmoch je nanajvýš aktuálne v týchto prípadoch používať biologicky odbúrateľné hydraulické oleje. Tieto oleje nazývané tiež biodegradovateľné alebo jednoducho ekologické sú známe viac než dve desaťročia, ale ich použitie ani z ďaleka nezodpovedá súčasným možnostiam.

Už po roku 1990 sa na Slovensko dovážal z Holandska biologicky odbúrateľný hydraulický olej s názvom BIOHYDROL a hneď na to PETROCHEMA Dubová začala dodávať na slovenský trh ďalší druh hydraulického oleja pod názvom EKOHYD. Nedostatkom týchto olejov bolo, že ich použitie bolo obmedzené prevádzkovou teplotou 60 °C a krátkodobo 70 °C. Po prekročení tejto teploty dochádzalo k degradácii oleja a k jeho postupnému znehodnoteniu. Pre úplnosť je snáď vhodné uviesť, že obidva druhy vyššie uvedených hydraulických olejov sú hodnotené testom biologickej odbúrateľnosti zložiek oleja počas 21 dní na rozklad. V prípade nežiaduceho úniku takéhoto oleja do pôdy sa tento rozloží na neškodné zložky, takže nehrozí kontaminácia pôdy ani podzemných vôd.

V súčasnosti sa dostávajú na trh ekologické oleje postupne od všetkých výrobcov mazív. Ich vlastnosti výrobcovia neustále zdokonaľujú tak, aby mohli byť čo v najširšom rozsahu použité v technickej praxi bez negatívnych vplyvov na prevádzkovú spoľahlivosť, životnosť a vôbec technické parametre hydraulických zariadení. Čo sa týka ekologických hydraulických olejov tieto sa na Slovensku v poľnohospodárstve takmer vôbec nepoužívajú. Tento stav je spôsobený najmä tým, že pre hydraulické sústavy traktorov a poľnohospodárskych strojov ich výrobcovia predpisujú určitý druh minerálneho, prípadne syntetického oleja, takže užívateľ strojov v obave pred možnými dôsledkami nie je ochotný používať ekologický olej. Z tohto dôvodu je potrebné, aby výrobcovia ekologických olejov aj výrobcovia poľnohospodárskej techniky a jej užívatelia, teda všetky tri uvedené subjekty, dokonale poznali vlastnosti týchto olejov a hlavne ich vplyv na jednotlivé konštrukčné prvky hydraulických sústav. Na dosiahnutie tohto cieľa je potrebné vykonať individuálne skúšky každého ekologického oleja a použiť také skúšobné metódy, aby výsledky skúšok boli objektívne a navzájom porovnateľné. Tieto skutočnosti nevyhnutne poukazujú na zdokonaľovanie existujúcich a súčasne vývoj nových progresívnych skúšobných metód. Pretože kľúčovým funkčným a konštrukčným prvkom každej hydraulickej sústavy je hydrogenerátor (hydraulické čerpadlo), existujúce skúšobné metódy sú prevažne zamerané na sledovanie prevádzkových parametrov hydrogenerátora počas skúšky daného druhu oleja. Jedná sa predovšetkým o sledovanie prietoku (dodávaného množstva oleja za minútu) pri určitom tlaku, otáčkach hydrogenerátora a teplote oleja v závislosti na odpracovaných hodinách alebo počte záťažových cykloch hydrogenerátora. Dlhodobé skúšky pre získanie parametrov prevádzkovej spoľahlivosti a životnosti sú časovo energeticky náročné, preto sa v tejto oblasti výskumu a vývoja uskutočňujú tzv. zrýchlené laboratórne skúšky, ktoré umožňujú podstatne skrátiť cyklus výskum - vývoj - výroba - využitie. Aby boli výsledky skúšok objektívne a porovnateľné spravidla sa vykonáva ešte jedna tzv. etalónová skúška so štandardným minerálnym olejom.

Základné kvapaliny hydraulických a UTTO olejov

Mazacie oleje sa skladajú zo základnej kvapaliny a z tzv. aditív. Aditíva tvoria rôzne chemické prísady, ktoré sú určené na ochranu základnej kvapaliny a na zlepšenie jej vlastností. Mazacie oleje sa podľa pôvodu rozdeľujú na anorganické a organické. Rozdelenie základných kvapalín podľa normy VDMA 24 568 je uvedené v tab. 1.

Tab. 1 Základné kvapaliny: delenie podľa VDMA 24 568

Vysvetlenie skratiek použitých v tab. 1:

HEES Hydraulic-Environmental-Ester-Synthetic
HETG Hydraulic-Environmental-Tri-Glyceride
HEPR Poly alpha olefins (PAO) HV Mineral oil
HEPG Hydraulic-Environmental-Poly-Glycol

Znečistenie prevodových a hydraulických olejov

Zjednodušenie možno znečistenie mazacích olejov klasifikovať nasledovne:

  • tvrdé (kovové časti z opotrebenia, prachové častice, abrazivo a ostatné častice),
  • mäkké (oxidačné produkty a produkty reakcií aditív s olejom).

Okrem znečistenia časticami ešte rozoznávame znečistenie:

  • kvapalinami (najčastejšie vodou, alebo pohonnými hmotami, prípadne inými mazivami),
  • plynmi (najčastejšie vzduchom).

Kovové častice z opotrebenia sú vždy prítomné v prevodovej a hydraulickej sústave vo veľkostiach od mikroskopických až po častice viditeľné voľným okom. Tieto častice sú produktom opotrebenia. Pevné častice spôsobujú poškodenie funkčných častí, pričom rozsah a charakter poškodenia závisí od veľkosti a času pôsobenia týchto častíc. Vysoká koncentrácia malých tvrdých častíc eroduje zlícované plochy a tým spôsobuje ich nefunkčnosť. Znečistenie časticami, ktoré sú rovnako veľké ako medzery medzi pohybujúcimi sa povrchmi, môže spôsobiť spriečenie častice a následné opotrebenie povrchu. Väčšie znečisťujúce častice blokujú prechodové otvory a dýzy, ktorých funkcia je týmto ohrozená, prípadne môžu byť úplne vyradené z činnosti. Taktiež častice z pryžových alebo polyuretánových tesniacich krúžkov, manžet, tesnení a hadíc sa dostávajú do oleja a môžu vyvolať podobné účinky a dôsledky. Atmosféricky prach, špina a iné materiály sú obyčajne vtiahnuté do mazacieho systému z vonkajšieho prostredia. Znečistenie môže vstupovať do systému aj počas údržby a pri rozpojení alebo výmene hadíc a fitingov.

Mechanizmy tvorby častíc predstavujú pomerne zložité tribologické procesy, pričom konkrétne častice sú vo väčšine prípadov produktom adhézneho alebo abrazívneho opotrebenia. Adhézne opotrebenie sa vyskytuje vtedy, keď medzi navzájom sa pohybujúcimi povrchmi nie je dostatočný olejový film, čo je spôsobené buď nízkou viskozitou oleja alebo nedostatočným mazaním. Abrazívne opotrebenie vzniká najčastejšie vtedy keď sa dostane abrazívna častica medzi dva navzájom sa pohybujúce povrchy. Dôsledkom abrazívneho opotrebenia je tvorba ďalších častíc znečisťujúcich olej.

Obr. 1 Negatívne pôsobenie častice opotrebenia zachytenej medzi pohybujúcimi sa povrchmi

Hodnotenie znečistenia mazacích olejov časticami

Podľa normy ISO 4406 je trieda čistoty oleja stanovená na základe počtu a veľkosti častíc v oleji. Na vyjadrenie počtu častíc sa využíva číselný kód podľa tab. 2. Najnovšia norma ISO 4406 z roku 1999 definuje triedu čistoty podľa trojčíselného kódu pre častice väčšie než 4 ?m, 6 ?m a 14 ?m. Teda napríklad kód čistoty hydraulickej kvapaliny 9/8/6 vyjadruje 500 - 1000 častíc väčších ako 4 ?m, 250 - 500 častíc väčších ako 6 ?m a 32 - 64 častíc väčších ako 14 ?m vo vzorke 100 ml oleja. Pre hydraulické systémy so zubovými a piestovými hydrogenerátormi aké sa používajú v poľnohospodárskych strojov je predpísaná trieda 20/18/15 alebo prísnejšia 19/17/14.

Tab. 2 Definovanie triedy čistoty podľa ISO 4406 z roku 1999

Okrem vyššie uvedenej normy sa hodnotenie znečistenia oleja uskutočňuje aj podľa normy SAE AS 4059 a GOST 17216 17, prípadne aj podľa normy NAS 1638. V tejto súvislosti je snáď vhodné poznamenať, že v skutočnosti neexistuje presný spôsob ako previesť kód čistoty podľa normy ISO 4406 na kód podľa normy NAS 1638 a vôbec vzájomné porovnanie čistoty oleja podľa uvedených noriem nie jednoduché. Doposiaľ je známych najmenej desať spôsobov merania počtu a veľkosti častíc nachádzajúcich sa v znečistenom oleji a to od optického spôsobu počítania častíc až po infračervenú spektometriu.

Optický spôsob počítania častíc

Na počítanie častíc znečistenia a na ich rozdelenie podľa uvedených noriem sa najčastejšie používajú prístroje pracujúce na optickom princípe. Tieto optické počítače častíc používajú senzor, ktorý meria množstvo laserového svetla prechádzajúceho kvapalinou znečistenou časticami. Na obr. 2 je znázornená schéma laserového automatického počítania častíc.

Obr. 2 Schéma prístroja na určenie počtu častíc v oleji, ktorý využíva optický princíp

Prístroj je riadený počítačom, ktorý zároveň vyhodnocuje namerané údaje. Vzorka je najskôr homogenizovaná a následne odvzdušnená pomocou ultrazvuku. Peristaltické čerpadlo sústavou hadičiek nasáva olej cez mikrónové sitko (veľkosť otvorov je 100 ?m) do sklenenej rúrky. Touto rúrkou prechádzajú lúče laseru, ktoré dopadajú na pozadie snímané kamerou. Obraz je prevedený na obrazovku počítača, kde sa zobrazujú siluety častíc. Výhodou prístroja je, že dokáže rozdeliť častice do skupín podľa typického tvaru uloženého v pamäti počítača. To znamená, že pre rôzne druhy častíc prístroj uvádza ich počet na 1 ml, ich priemernú veľkosť a maximálny priemer. Nevýhodou prístroja je, že neposkytuje údaje o farbe, štruktúre ani o povrchových vlastnostiach. Na to je potrebné využiť iné metódy, ako je napr. ferografia. Optický systém je možné používať len pre oleje, ktoré zostávajú počas prevádzky priehľadné teda, cez ktoré môže prechádzať laserový lúč optického počítača častíc. Tento systém nie je vhodný pre nepriehľadné motorové oleje znečistené karbónom a sadzami.

Hodnotenie znečistenia technikou blokovania otvorov

Prístroje využívajúce metódu blokovania otvorov, pracujú pomocou prevodníka merajúceho buď pokles tlaku alebo útlm prietoku, ktorý nastáva, keď vzorka oleja prechádza cez znečisťovaný senzor. Pri tejto metóde sú zachytávané väčšie častice, ktoré nemôžu prechádzať cez senzor zatiaľ čo menšie častice sú zachytávané vo vzniknutých medzerách medzi veľkými časticami a sitovou plochou, obr. 3.

Obr. 3 Hodnotenie znečistenia oleja metódou blokovania otvorov: a) častice väčšie než otvory,
b) menšie častice zachytené o väčšie častice

Analytická ferografia

Obr. 4 Princíp ferografie: a) pôsobenie magnetu na častice, b) ferogram - zachytávanie neferomagnetických častíc medzi feromagnetickými

Analytická ferografia začína oddelením častíc opotrebenia z mazacej kvapaliny. Vzorka maziva je najskôr zriedená technickým benzínom na zlepšenie adhézie a oddelenia častíc z oleja. Zriedená vzorka steká po špeciálne skonštruovanom sklenenom sklze, zvanom ferogram, ktorý je vystavený pôsobeniu silného magnetického poľa. Magnetickým zachytením častíc z oleja je vytvorený ferogram (obr. 4).

Filozofia ferografie sa opiera o tieto základné poznatky:

  1. Každá trecia dvojica produkuje pri danom režime opotrebenia (zábeh, prevádzkové opotrebenie, havarijné opotrebenie) častice určitého tvaru a veľkosti. Režim opotrebovania je charakterizovaný množstvom, tvarom a veľkosťou častíc opotrebenia.
  2. So stúpajúcou intenzitou opotrebovania stroja sa menia tribologické charakteristiky: mení sa pomer medzi veľkými časticami (väčšími ako 15 µm) a malými časticami (menšími ako 15 µm), mení sa tvar častíc, ktorá charakterizuje druh opotrebovania; okrem tvaru sa môže meniť aj chemické zloženie častíc (obr. 5).
  3. Tvar, veľkosť a počet častíc sa pri zmene režimu opotrebenia menia s dostatočne veľkým predstihom, takže zmena môže byť monitorovaná omnoho skôr, ako je to možné inými metódami. Takto je možné včas zaregistrovať blížiacu sa poruchu zariadenia.

Neferomagnetické častice a znečistenie, ktoré sú unášané prúdom kvapaliny, nie sú ovplyvnené magnetickým poľom. Aj napriek tomu sú prítomné na ferograme, pretože sa zachytia o feromagnetické častice. Neprítomnosť feromagnetických častíc podstatne znižuje účinnosť zachytávania neferomagnetických častíc.

Častice zachytené na ferograme sú skúmané polarizačným bi-chromatickým mikroskopom vybaveným digitálnou kameru. Mikroskop používa aj odrazené (vrchné) aj prechádzajúce (spodné) svetlo pre rozlíšenie veľkosti, tvaru, rozloženia a povrchu feromagnetických a neferomagnetických častíc.

Kovové častice prítomné v oleji môžu vypovedať o rôznom type opotrebenia:

  • Normálne opotrebenie: malé častice opotrebenia sú typické pre normálne adhezívne opotrebenie.
  • Hraničné opotrebenie: stredne veľké častice spôsobené vytrhávaním kovu a majúce za následok tvorbu väčších než normálnych častíc. Tieto spôsobujú ešte väčšie opotrebenie.
Obr. 5 Pomer veľkých (L) a malých častíc (S) v procese opotrebenia súčiastky

Znečistenie mazacích olejov vodou

Voda obsiahnutá v oleji mení jeho viskozitu, schopnosť prenášať zaťaženie a vytvárať olejový film. To môže viesť k nežiaducemu kontaktu vzájomne sa pohybujúcich povrchov a tým k väčšiemu opotrebeniu, prípadne až k zadreniu. Prítomnosť voľnej vody môže pri teplote pod bodom mrazu poškodiť alebo vyradiť z funkcie hydraulické prvky časticami zamrznutej vody. Prítomnosť vody môže tiež podporiť chemické reakcie so základnými kvapalinami a aditívami. Výsledkom týchto reakcií sú agresívne organické kyseliny, živice a kaly, ktoré nepriaznivo ovplyvňujú viskozitu a iné vlastnosti oleja. Voda prítomná v oleji spôsobuje aj rozklad niektorých aditív. Napokon korózia jednotlivých kovových častí hydraulických prvkov je tiež dôsledkom prítomnosti vody v oleji.

Molekuly vody v rozpustenej forme sú premiešané s molekulami oleja. Takáto forma vody v oleji nie je viditeľná, práve tak, ako nie je viditeľná voda vo vzduchu. Olej sa môže javiť jasný a priezračne čistý. Bod, pri ktorom olej obsahuje maximálne množstvo rozpustenej vody sa nazýva bod nasýtenia. Ten závisí od teploty oleja, doby jeho prevádzky a zloženia aditív. Platí zásada, že čím vyššia teplota oleja, tým vyšší bod nasýtenia, a tým aj viac vody v oleji v rozpustenom stave. Ak sa prekročí bod nasýtenia, voda je prítomná vo forme emulzie, čo sa prejaví zakalením oleja, podobne ako v prípade hmly vo vzduchu počas chladných dní, obr. 6.

Obr. 6 Rozpustnosť vody v turbínovom oleji v závislosti od teploty

V súčasnosti existuje niekoľko metód na stanovenie obsahu vody v oleji. Vizuálny bublinkový test predstavuje jednoduchú metódu na stanovenie približného množstva vody prítomnej v oleji. Je to historicky prvý tribodiagnostický test na stanovenie množstva vody v oleji. Princíp tohto testu spočíva v tom, že na horúcu platňu o teplote 135 °C sa kvapne kvapka oleja, ktorá musí byť predtým odobratá z oleja a dokonale homogenizovaná na suspenziu vody s olejom. Ak nie je viditeľné žiadne praskanie alebo ak sa netvoria bublinky pary po niekoľkých sekundách, v oleji nie je prítomná voľná ani emulgovaná voda. Už pri obsahu vody v oleji asi 0,05 až 0,1 % sa tvoria veľmi malé bublinky o priemere približne 0,5 mm, ktoré rýchlo miznú. Postupne so zvyšovaním priemeru bubliniek až na 4 mm sa zvyšuje aj obsah vody v oleji až na hodnotu v rozsahu 0,1 až 0,2 %. Pri ešte vyššej koncentrácií vody je počuteľné silné praskanie. Niektoré oleje obsahujúce zinkové aditíva môžu vodu emulgovať a tým ju zachytávať bez toho, aby bola odhalená pomocou vizuálneho bublinkového testu.

Akreditované laboratóriá využívajú na stanovenie obsahu vody v oleji metódu označenú Karl Fischer. Táto metóda je presná od 0,0001 % do 100 %, je rýchla a nenáročná. Vzorka oleja je titrovaná so štandardným Karl Fischerovým činidlom až po dosiahnutie konečného bodu.

Spôsoby odstránenia vody z hydraulického oleja

Keď sa zistí akýkoľvek obsah vody v oleji je nevyhnutné urýchlene realizovať účinné opatrenia, aby sa predišlo možným následkom. Obsah a rozsah týchto opatrení závisí od obsahu vody v oleji a od množstva znehodnoteného oleja, ale aj od technických možností bezprostredne súvisiacich s odstránením vody z oleja. Ak sa jedná o menšie množstvo oleja (napr. v servoriadení), je najvýhodnejšie uskutočniť jeho výmenu, pretože následná škoda môže ďaleko presiahnuť cenu nového oleja. V prípade, že sa jedná o väčšie množstvo oleja (napr. v hydrostatickom pohone mobilných strojov), je podľa možnosti vhodné odstrániť vodu z oleja dostupným spôsobom. Pokiaľ sa v oleji nachádza len voľná voda, táto je separovaná v spodnej časti nádrže (tzv. gravitačná separácia) a stačí ju len vypustiť. Účinnosť gravitačnej separácie je tým vyššia, čím je nižšia teplota oleja a dlhšia doba separácie. Niektoré oleje sú aditívami upravené tak, aby vodu suspendovali namiesto toho, aby ju uvoľnili separáciou. V takýchto prípadoch je gravitačná separácia málo účinná. Hlavnou nevýhodou tejto metódy je, že dokáže odstrániť iba voľnú vodu, takže častice emulgovanej a rozpustenej vody zostávajú stále v oleji.

Obr. 7 Gravitačné odstraňovanie vody z oleja

Čistenie oleja rotáciou (tzv. centrifúga) principiálne spočíva v oddelení ťažších zložiek, v tomto prípade vody od oleja, pôsobením odstredivej sily. Rovnako ako v prípade gravitačnej separácie, proces bude účinnejší, ak bude prebiehať pri nižšej teplote, pretože väčšie množstvo vody bude v stave voľnom a emulgovanom. Nevýhodou centrifúgy je, že dokáže odstrániť iba voľnú a emulgovanú vodu.

Absorpčné odstránenie vody je možné tým, že väčšina filtračných prostriedkov absorbuje malé množstvo vody z oleja, čo spôsobuje nasiaknutie filtra a zväčšenie jeho objemu. Tento jav je typický najmä pre celulózu. Kontrola použitých filtrov môže v zásade poukázať na prítomnosť vody v mazacom systéme. Niektoré filtračné vložky majú dodatočný obal z polymérov a sú špeciálne navrhnuté na odstránenie vody absorpciou. Tieto filtre odstraňujú voľnú a emulgovanú vodu a rovnako aj častice znečistenia. Hlavná nevýhoda absorpčného odstraňovania vody je v tom, že množstvo zachytenej vody je limitované kapacitou jedného filtra. Pozitívny aspekt je v tom, že filter súčasne zachytáva aj pevné častice znečistenia.

Vákuový proces dehydratácie využíva podtlak na zníženie bodu varu vody obsiahnutej v oleji. Pri štandardnom tlaku (0,8 až 0,9 bar) používanom pri dehydratácii voda vrie pri teplote 48 až 55 °C. Pri zohriatí oleja na teplotu 65 až 70 °C sa voda odparí bez toho, aby bol olej degradovaný teplotným a oxidačným namáhaním. Skutočný prínos tohto procesu spočíva v jeho schopnosti odstrániť okrem voľnej a emulgovanej vody aj rozpustenú vodu a iné nečistoty s nízkym bodom varu ako sú palivá a rozpúšťadlá.

Niektoré hydraulické systémy, ktoré sú prevádzkované pri vyššej teplote majú tzv. samočistiacu schopnosť, v dôsledku čoho sa voda samočinne odparuje. Spaľovacie motory sú vhodným príkladom samočistiacej aplikácie. Niektoré sedimentačné nádrže sú v spodnej časti vybavené ohrevom, je však otázne, či zahrievanie oleja je tým najlepším riešením, ktoré spôsobuje riziko termickej degradácie oleja. Tento proces musí byť prísne kontrolovaný, najmä keď sa jedná o ekologické oleje.

Znečistenie oleja vzduchom

Vzduch v mazacom oleji je považovaný taktiež za znečistenie pretože kyslík obsiahnutý v bublinkách vzduchu spôsobuje oxidáciu kvapaliny. V hydraulických systémoch vzduch spôsobuje stlačiteľnosť kvapalín a tým znižuje účinnosť prenosu energie. Minerálny hydraulický olej môže obsahovať až 9 % rozpusteného vzduchu pri atmosférickom tlaku. Teda ak 1 dm3 oleja je stlačený na tlak 100 barov, môže obsahovať až 9 dm3 vzduchu. Typickým príznakom prítomnosti vzduchu v oleji je jeho penivosť. Pre stanovenie množstva vzduchu v oleji je potrebné merať čas potrebný na uvoľnenie vzduchu a tzv. penovú charakteristiku. Uvoľnenie vzduchu je mierou času potrebného na uvoľnenie bubliniek vzduchu ( voľný vzduch) z oleja na hladinu. Čas potrebný na uvoľnenie vzduchu je meraný podľa normy DIN 51 381. Penová charakteristika definuje množstvo peny vytvorenej na hladine v nádrži a čas rozpadu bubliniek vzduchu a najčastejšie sa meria podľa normy DIN 51 566.

Oxidácia hydraulických olejov

Oxidácia je primárny proces chemickej degradácie oleja. V mnohých prípadoch sa týka len základnej kvapaliny. Výsledkom procesu oxidácie sú v prípade uhľovodíkových kvapalín najmä organické kyseliny alebo polymérové zložky s vysokou molekulovou hmotnosťou. Polymérne zložky sú často prítomné v nerozpustnej podobe a to vo forme gumy, živíc a kalov. Antioxidačné aditíva sa počas prevádzky oleja postupne vyčerpávajú, dôsledkom čoho je oxidácia základnej kvapaliny, obr. 8. V ekologických olejoch sa používajú prírodné aditíva (vitamín E) a aj prírodné antioxidanty (vitamín C, E 300).

Obr. 8 Proces degradácie oleja v závislosti na vyčerpávaní antioxidantov

Oxidácia olejov je enormne zrýchlená prítomnosťou kovov a vody. Jemné kovové častice sú ideálne katalyzátory. Bolo zistené, že oxidácia sa môže prítomnosťou vody a železa zrýchliť 48-krát a prítomnosťou vody a medi až 65-krát. Takže aj v týchto prípadoch platí zásada, že prvoradá je prevencia, než odstraňovanie následkov.

Výskum vlastností ekologickćh mazacích olejov

Ako už bolo uvedené každý mazací olej pozostáva zo základnej kvapaliny a z rôznych prísad, tzv. aditív. Tieto aditíva zlepšujú vlastnosti základnej kvapaliny a tiež zabezpečujú jej ochranu pred nepriaznivými účinkami počas prevádzky. Teda vlastnosti oleja závisia jednak od vlastností základnej kvapaliny a tiež od množstva a druhu použitých aditív a vôbec od charakteristických vlastností týchto aditív. Avšak, aby mohli byť účelne použité jednotlivé druhy aditív v požadovaných množstvách, je v prvom rade potrebné poznať charakteristické vlastnosti základných kvapalín, ktoré sa zisťujú rozsiahlymi laboratórnymi a prevádzkovými skúškami. Typické hydraulické skúšobné zariadenie pracuje pri tlaku 42,5 MPa (425 bar) a teplote kvapaliny 80°C. trvanie skúšok životnosti je rôzne a pohybuje sa od 300 do 4000 hodín.

Počas skúšobných cyklov sa zisťujú nasledovné údaje:

  • kinematická viskozita,
  • číslo kyslosti,
  • obsah vody,
  • farba.

Taktiež sa sleduje vplyv kovov a ich zliatin. Rôzny domáci aj zahraničný výskumný pracovníci zistili, že počas testov mazacích olejov sa všeobecne zvýšila viskozita a číslo kyslosti ako miera zhoršenia vlastností kvapaliny. Na Obr. 9 je vo všeobecnosti, znázornený vplyv času trvania skúšky na viskozitu pre rôzne druhy základných kvapalín. Mierou prevádzkových vlastností je v tomto prípade viskozita. Zvlášť prudký nárast viskozity nastal u repkového oleja. Treba poznamenať, že na obr. 9 sú uvedené len vybrané základné kvapaliny bez aditív.

Obr. 9 Vplyv času trvania skúšky na viskozitu základných kvapalín

Porovnávacie skúšky minerálneho a ekologického oleja

Na Katedre dopravy a manipulácie Technickej Fakulty Slovenskej poľnohospodárskej univerzity v Nitre je venovaná pozornosť výskumu vlastností ekologických mazacích kvapalín už takmer 25 rokov. Počas tohto obdobia boli sledované trendy vo vývoji nových ekologických kvapalín určených pre poľnohospodárske traktory. Najnovší výskum bol zameraný na ekologické kvapaliny dodávané a vyrábané spoločnosťou Slovnaft a. s. člen skupiny MOL.

Počas skúšok sme sa zamerali na vplyv ekologického hydraulického oleja na parametre traktorového hydrogenerátora (hydraulického čerpadla) typ UD 25 výrobok firmy JIHOSTROJ Velešin - Česká republika. Z tohto dôvodu boli uskutočnené porovnávacie skúšky dvoch druhov univerzálnych olejov typu UTTO na skúšobnom zariadení v laboratórnych podmienkach, ktoré bolo navrhnuté a zostavené pracovníkmi katedry.

Prvá časť skúšok bola vykonaná s minerálnym hydraulickým olejom MOL Farm NH Ultra a druhá časť skúšok e ekologickým hydraulickým olejom na báze rastlinného oleja MOL Farm Bio UTTO. Obidve skúšky boli uskutočnené na skúšobnom zariadení (Obr. 10), ktoré prostredníctvom rozvádzača a tlakového ventilu umožňuje simulovať zaťaženie hydrogenerátora cyklickým tlakovým namáhaním. Počas skúšok dochádza k zaťažovaniu a teda k skúšaniu nielen hydrogenerátora, ale súčasne aj použitého hydraulického oleja.

Obr. 10 Zariadenie na skúšky životnosti hydrogenerátora

Na hodnotenie technického stavu hydrogenerátora okrem merania prietokových charakteristík boli použité aj nasledovné moderné metódy technickej diagnostiky:

  • termovízia,
  • meranie znečistenia oleja podľa kódu čistoty,
  • hodnotenie častíc opotrebenia ferografiou.

Podmienky skúšky boli dané nasledovne: trvanie skúšky bolo 1 milión cyklov, pri cyklickom tlakovom namáhaní od nuly do menovitého tlaku, s frekvenciou 0,5 až 1,25 Hz, pri náraste tlaku 10 až 35 MPa za 0,1 sekundy, pri menovitých parametroch. Prípustný pokles prietokovej účinnosti je maximálne o 20 percent.

Vlastnosti a popis minerálneho oleja MOL Farm NH Ultra

MOL Farm NH Ultra je univerzálny traktorový hydraulický a prevodový olej s dlhou životnosťou, určený na mazanie prevodoviek, rozvodoviek, koncových prevodov, mokrých bŕzd a hydraulických okruhov poľnohospodárskych strojov a traktorov. Je určený hlavne pre poľnohospodársku techniku. Technické údaje minerálneho oleja MOL Farm NH Ultra sú uvedené v tab. 3. tento olej je vyrobený firmou SLOVNAFT a.s. a patrí do skupiny univerzálnych traktorových olejov.

Tab. 3 Technické údaje minerálneho oleja MOL Farm NH Ultra

Vlastnosti a popis ekologického oleja MOL Farm Bio UTTO

MOL Farm Bio UTTO ekologický univerzálny traktorový olej. Jeho prednosťami sú široká škála aplikácií a vysoká miera biologickej odbúrateľnosti, čo znamená, že olej nezaťažuje životné prostredie. Tento olej je vyrobený na báze rastlinného oleja a špeciálnych druhov prísad. Nakoľko je to univerzálny traktorový hydraulický a prevodový olej, je určený na mazanie prevodoviek, mokrých bŕzd, hydraulických okruhov traktorov, poľnohospodárskych a stavebných strojov. Technické údaje oleja MOL Farm Bio UTTO sú uvedené v tab. 4.

Tab. 4 Technické údaje rastlinného oleja MOL Farm Bio UTTO

Tento olej je zvlášť vhodný pre stroje, ktoré pracujú v blízkosti vodných zdrojov, v lesných porastoch a všade tam, kde je potrebné používať olej, ktorý nadmerne nezaťažuje životné prostredie v prípade nežiaduceho úniku. Biologická odbúrateľnosť tohto oleja je 91% podľa CEC L - 33 - A - 93 (28 dní) a 65% podľa OECD 301 B. Vysoká miera biologickej odbúrateľnosti umožňuje zaradiť olej MOL Farm Bio UTTO do kategórie WGK 1, čo je kategória produktov mierne zaťažujúcich vodu.

Výsledky porovnávacích skúšok hydraulických olejov

Z hľadiska posúdenia vplyvu daného oleja na parametre hydrogenerátora slúžia namerané prietokové charakteristiky na základe, ktorých možno hodnotiť technický stav hydrogenerátora z pohľadu jeho opotrebenia. Prietoková charakteristika vyjadruje prietok, t.j. dodávané množstvo oleja za minútu pri určitom tlaku a otáčkach hydrogenerátora a samozrejme pri danej teplote oleja. Prietokové charakteristiky boli merané v priebehu skúšky v pravidelných intervaloch, teda po odpracovaní každých 250 tisíc cyklov, pri menovitých otáčkach hydrogenerátora 1500 za minútu a menovitom tlaku 20 MPa (200 bar), pri teplote oleja 50 °C.

Životnosť hydrogenerátorov sme hodnotili podľa poklesu prietokovej účinnosti. Prietoková účinnosť je stanovená percentuálne a vyjadruje pomer skutočne nameraného prietoku k teoretickému prietoku, ktorý sa vypočíta ako násobok geometrického objemu hydrogenerátora a otáčok.

Z údajov nameraných v priebehu skúšok bol získaný súbor hodnôt, ktoré boli štatisticky spracované za účelom získania strednej hodnoty prietoku a vylúčenia extrémnych hodnôt z výberového súboru. Na základe vypočítanej strednej hodnoty prietoku bola vypočítaná prietoková účinnosť a jej pokles.

Ako vyplýva z údajov uvedených v tab. 5 a graficky znázornených na obr. 11 pri použití minerálneho oleja MOL Farm NH Ultra sa prietok hydrogenerátora mierne zvyšoval počas celej doby skúšky. Taktiež sa úmerne zvyšovala prietoková účinnosť, v dôsledku čoho pokles prietokovej účinnosti nadobúda záporne hodnoty. Z vyššie uvedeného vyplýva, že technický stav skúšaného hydrogenerátora sa počas skúšky zlepšoval, čo poukazuje na proces zábehu.

Tab. 5 Prietok a prietoková účinnosť hydrogenerátora typ UD 25 v závislosti na počte zaťažovacích cyklov pre minerálny olej MOL Farm NH Ultra

Obr. 11 Prietok hydrogenerátora typ UD 25 v závislosti na počte zaťažovacích cyklov pre minerálny olej MOL Farm NH Ultra

Naproti tomu odlišné výsledky sa dosiahli pri skúške hydrogenerátoa s rastlinným olejom MOL Farm Bio UTTO, čo napokon názorne vyplýva z dosiahnutých výsledkov uvedených v tab. 6 a graficky znázornených na obr. 12. V tomto prípade zábeh hydrogenerátora trval do odpracovania 500 tisíc zaťažovacích cyklov, čomu nasvedčujú mierne stúpajúce hodnoty prietoku i prietokovej účinnosti a súčasne pokles prietokovej účinnosti vykazuje záporné hodnoty. V ďalšom priebehu skúšky už nastal pokles prietoku aj prietokovej účinnosti v dôsledku opotrebenia hydrogenerátora. To graficky znamená, že v rozsahu zaťažovacích cyklov 500 tisíc až 1 milión nastal pokles prietokovej účinnosti o hodnotu 7,3 %. Tento pokles predstavuje zhruba tretinu s normou stanovenej hodnoty 20 % po odpracovaní 1 milióna zaťažovacích cyklov.

Tab. 6 Prietok a prietoková účinnosť hydrogenerátora typ UD 25 v závislosti na počte zaťažovacích cyklov pre rastlinný olej MOL Farm Bio UTTO

Obr. 12 Prietok hydrogenerátora typ UD 25 v závislosti na počte zaťažovacích cyklov pre raslinný olej MOL Farm Bio UTTO

Porovnateľné výsledky sa v minulosti dosiahli pri skúškach traktorového zubového hydrogenerátora poľskej výroby typ PZ - 2 - 18 - KS - 2, ktorý sa v danej dobe štandardne používal na traktoroch ZTS UR II. Pri skúške životnosti podľa rovnakých podmienok proces zábehu bol ukončený po odpracovaní 600 tisíc zaťažovacích cyklov. Pri skúške hydrogenerátora typ UN 10L.21 nastal pokles prietokovej účinnosti po odpracovaní l milióna zaťažovacích cyklov.

Na základe dosiahnutých výsledkov pri porovnávacích skúškach možno konštatovať, že rastlinný olej MOL Farm Bio UTTO vyhovuje požiadavkám na spoľahlivosť hydrogenerátorov, aj keď minerálny olej MOL Farm NH Ultra má lepšie vlastnosti. Na druhej strane z ekologického hľadiska treba brať do úvahy tú skutočnosť, že rastlinný olej v prípade nežiaduceho úniku nezaťažuje životné prostredie.

Príspevok vznikol v rámci riešenia grantového projektu VEGA MŠ SR č. 1/0857/12 "Zníženie nežiaducich vplyvov poľnohospodárskej a dopravnej techniky na životné prostredie".

Vystavené: 20.3.2012

Autori textu: Ing. Radoslav Majdan, PhD. - SPU Nitra; Ing. Milena Kureková a Ing. Radoslav Pulenka - Intertribodia s.r.o. Tlmače;
Milan Rášo - Slovnaft a. s. Bratislava