naar top
Menu
Logo Print
22/02/2018 - PIERRE BOYDENS

hydraulica

DE BASIS VAN HYDRAULICA

Karakteristieken hydraulische olien van groot belang bij systeemontwerp

Wat is hydrauliek? Of beter: wat zou het moeten zijn? Enerzijds wordt verwezen naar hydrauliek als 'het meest ouderwetse dat er bestaat', maar anderzijds ook als 'hadden we dat maar eerder geweten …'. De hydrauliek bestaat al meer dan tweeduizend jaar, maar de efficiënte hydraulische systemen slechts sinds de toepassing van olie als drukmedium en de evolutie van de afwerkingstechnieken; daarbij geholpen door de snelle ontwikkeling van de elektronica.


DRUKMEDIUM

Olie en water

Als hydraulisch drukmedium worden er voornamelijk minerale oliën gebruikt (zie tabel 1 + verder), maar laten we toch even opmerken dat waterhydrauliek zeker niet in het verdomhoekje zit. De beperkingen zijn evenwel talrijk: roestvermogen - vorst - lage viscositeit - zoutgehalte - gemakkelijke verdamping - geen smeervermogen - beperkt temperatuurbereik…
Dat betekent niet dat water nergens gebruikt wordt als drukmedium, integendeel: de zeer lage prijs en de toevoeging van bepaalde additieven die de effecten van voornamelijk roestvermogen en vorst verzwakken, maken het gebruik van 'water' voor zeer grote vaste installaties zeer interessant. Daarenboven is water de 'moeilijkst brandbare vloeistof' bij uitstek.

Classificering van minerale oliën

Met een vloeistof als energiedrager werken is, zoals reeds opgemerkt, een zeer oude techniek. De natuurlijke wateren, zeeën, oceanen en waterlopen zijn tot op heden belangrijke en relatief goedkope, hoewel niet de snelste, vervoermiddelen; ook van energie. Hoogteverschillen, stromingen en getijden zijn natuurlijke gegevens bij het omzetten van energie. Bij de moderne hydrauliek gaat het niet over miljoenen kubieke meters, maar over evenveel millimeters; niet over enkele honderden millibars, maar honderden bars, niet over uren en dagen, maar milliseconden en minuten.


VLOEISTOF ALS ENERGIEOMZETTER

Energie is het product van kracht en beweging. Omzetten van energie is een van beide of de beide parameters aanpassen tot het gestelde doel. Een vloeistof is even onvervormbaar als staal en tezelfdertijd oneindig veel soepeler. Ze vervormt zich volgens haar omhulsel en kan onbeperkt verdeeld worden om afzonderlijk verschillende taken te vervullen en achteraf weer samengevoegd, een nieuwe opdracht uit te voeren. De hydraulische vloeistof kan beschouwd worden als de belangrijkste component van een hydraulisch circuit. Het verbindt immers alle andere componenten.

Taken

Een vloeistof gebruiken als energieomzetter betekent ook dat men aan die vloeistof een aantal taken toewijst. Principieel moet de drukvloeistof een vijftal taken vervullen:

  1. Overbrengen van energie
    De vloeistof moet met zo min mogelijk weerstand door de leidingen en componenten kunnen vloeien en tezelfdertijd zo onsamendrukbaar mogelijk zijn om parameterveranderingen snel te kunnen doorgeven.
  2. Smeervermogen
    Bewegende delen betekenen wrijving. Slijtage is krachtverlies door wrijving. Slijtage wordt beperkt door smering en daarenboven een smering die bij wisselende belasting, variabele snelheden en veranderlijke temperatuur optimaal blijft.
  3. Afvoer van slijtage en warmte
    Energieverliezen door wrijving - zowel van het medium als componenten - moeten kunnen worden verwijderd om een plaatselijke opstapeling te vermijden.
  4. Bescherming tegen corrosie van metaaloppervlakken
  5. Afdichting
    In veel gevallen is de vloeistof de enige afdichting tegen de druk in een component. Meestal is er geen afdichtingsring tussen de klepplunjer en het kleplichaam om het lek klein te houden in de doorgang van hoog- naar laagdruk. De speling en de olieviscositeit bepalen het lekgehalte.


HYDRAULISCHE OLIEN

Hoewel water goedkoper is dan olie en een viscositeit onafhankelijk van de temperatuur heeft, wordt over het algemeen toch olie toegepast. De voordelen ten opzichte van water zijn bijvoorbeeld:

  • geen of slechts een gering corrosiegevaar;
  • bij uitstek een smeermiddel;
  • viscositeit is een veelvoud van die van water (lekverliezen veel kleiner);
  • een bredere temperatuurschaal.

In het algemeen worden er minerale oliën toegepast bij de gewone industriële installaties. Men kan twee hoofdgroepen van minerale oliën vooropstellen. Enerzijds zijn er de nafteenoliën, die voortkomen uit de oudste aardoliegronden. Ze onderscheiden zich door bij de afkoeling geen kristallijne paraffine af te scheiden, en door hun iets grotere soortelijk gewicht.
De andere groep zijn de paraffineoliën, die worden gewonnen uit jongere aardoliegronden. Zij hebben een lager soortelijk gewicht en een groter gehalte aan kristallijne paraffines. De meeste oliën zijn in feite een mix van beide soorten, hoewel de meeste oliën uit de jongste afzettingen gewonnen worden en door het raffineren en met inhibitoren tegen de paraffineafscheiding behandeld worden.

chemische structuur van minerale oliënEigenschappen

Om aan de eerder vermelde eisen of taken te voldoen, moeten oliën welbepaalde eigenschappen bezitten, zoals:

  • de vorming van afzetting en neerslag tegengaan (verouderen);
  • vrij zijn van schuimvorming;
  • stabiel blijven (chemisch niet veranderen);
  • dezelfde vloeibaarheidsgraad behouden bij variërende temperaturen en drukken;
  • hydrofoob zijn (waterafstotend);
  • dichtingen niet aantasten;
  • een grote filmsterkte hebben, omdat ze soms de enige afdichting is tegen de druk;
  • een lage dampspanning en een hoog kookpunt (cavitatie!);
  • aerofoob zijn (luchtafstotend);
  • een laag stolpunt hebben.

Fysische karakteristieken

Laten we vervolgens ook de belangrijkste fysische karakteristieken van de oliën bekijken: de densiteit, samendrukbaarheid en viscositeit.

densiteit
De dichtheid van hydraulische olie in functie van de temperatuur

Densiteit of dichtheid is de verhouding van de massa tot het volume, met als formule dus ρ = m/V. De dichtheid is relatief hoog (0,91 tot 0,95 kg/m³) voor naftenische minerale oliën en relatief laag voor oliën op basis van paraffine. De dichtheid varieert met zowel de druk als de temperatuur. De dichtheid van de hydraulische olie wordt in het algemeen opgegeven bij 15 °C en 1 bar. Voor eenvoudige berekeningen kan men een gemiddelde waarde nemen van 900 kg/m³.


Een voorbeeld van dit temperatuureffect: een hydraulische lift wordt 's avonds stilgelegd op de bovenste stopplaats; de olietemperatuur bedraagt dan 50 °C. De volgende morgen is het olievolume afgekoeld tot 20 °C. De dichtheid stijgt daarbij van 862,5 naar 880 kg/m³. De liftcilinder heeft een volume van 100 l, een boring van 160, en de stang meet 100 en de slaglengte is 5 m. (880 - 862,5) / 880 = 0,02 of 2%, wat overeenkomt met een daling van 25,46 cm gedurende de nacht. Let wel, er is geen lek, maar wel een krimpen van de olie.

samendrukbaarheid
Trend van de β-coëfficiënt ten opzichte van de drukverandering

Samendrukbaarheid: op school, in de les fysica, werd ons wijsgemaakt dat vloeistoffen NIET samendrukbaar zijn; gassen wel ... Hydrauliek is, toevallig of niet, het bewijs dat olie WEL samendrukbaar is, met de gevolgen van dien. Er bestaat een evenredigheid tussen de drukverandering en de daarbij komende volumeverandering. Tabel 2 toont de trend van de β-coëfficiënt ten opzichte van de drukverandering.

 

 

 

 

volumeveranderingen
Aanvaardbare volumeveranderingen bij verschillende vloeistoffen bij een drukverandering van 100 bar

Wanneer er geen hoge druk gevraagd is, zijn volumeveranderingen in tabel 3 bij 100 bar aanvaardbaar. Opnieuw een voorbeeld: wanneer olie bij atmosferische druk in een volume van 400 l opgetrokken wordt tot een druk van 250 bar, is de volumeverandering: ΔV = Vbegin · 0,7% · p/100 = 400 · (0,7/100) · (250/100) = 400 · 0,007 · 2,5 = 7 liter.

 

 

 

De viscositeit, taaiheid of vloeibaarheidsgraad van een vloeistof is de eigenschap van een vloeistof om weerstand te bieden aan het in de tegengestelde richting verschuiven van onderliggende lagen ervan. Aldus is de viscositeit een maatstaf voor de inwendige wrijving van vloeistoffen. Voor de hydrauliek is de viscositeit het belangrijkste kenmerk ter onderscheiding van de oliën. Bij olie is de viscositeit sterk afhankelijk van de temperatuur. Daarom is het van het grootste belang voor de storingsvrije werking van hydraulische systemen om goed op deze eigenschap te letten. Viscositeit wordt uitgedrukt op twee wijzen:

  • de dynamische viscositeit (η), of ook de absolute viscositeit, definieert zich als de kracht die nodig is om een vloeistoflaag een bepaalde versnelling te geven ten opzichte van een andere laag. Het verband wordt uitgedrukt in: τ = η δv/δz, waarbij δv/δz de snelheidsgradiënt is, τ de schuifspanning en η de dynamische viscositeit. De eenheid van de dynamische viscositeit is de Pa · s (N · s · m²).
  • de kinematische viscositeit (ν) is de deling van de dynamische viscositeit (η) door de dichtheid (ρ): ν = η/ρ.

Bij gebruik van de viscositeit in berekeningen wordt de voorkeur gegeven aan de kinematische viscositeit, o.a. omdat de dichtheid hierin reeds is inbegrepen. De tegenwoordig meest gebruikte eenheid van kinematische viscositeit is de 'Stokes' of 'centiStokes'.

De verhouding t.o.v. de enige officiële eenheid is:

1 m²/s = 104 St (Stokes)

= 106 cSt

= 106 mm²/s.


ONTWERP HYDRAULISCH SYSTEEM

Temperatuur

Het viscositeit-temperatuurgedrag (VT) van een hydraulische olie is een zeer belangrijk gegeven in het ontwerp van een systeem. Het wordt voorgesteld in het VT-diagram, waarbij de abscis de logaritme is van de absolute temperatuur en de ordinaat de loglog van de kinematische viscositeit. De reden van een dergelijke keuze van assenkruis is ingegeven door de rechtelijnvoorstelling van de VT-relatie. Deze rechte lijn is een voldoende nauwkeurige voorstelling, maar niet helemaal exact. De rechte verbinding van 40 °C tot 100 °C is de enige juiste; extrapolatie kan alleen met toelating van de olieleverancier (zie kaderstuk).

Druk

De viscositeit is daarnaast afhankelijk van de druk waaraan de olie wordt blootgesteld. Deze drukafhankelijkheid verandert exponentieel. Merk daarbij dus op dat ook de invloed van de druk op de viscositeit niet te verwaarlozen is. Een verhoging van Δp = 200 bar geeft een verhoging van de η = 0,034 Pa · s tot 0,048 Pa · s bij 50 °C of een vermeerdering met 41%. Bij een drukverhoging van 0 tot 350 bar is dit zelfs een vermeerdering van 94%.

Viscositeitsindex

Zoals hoger behandeld, worden oliën dunvloeibaar wanneer ze verwarmd worden. De mate waarop dit gebeurt, is bekend als viscositeitsindex. Hoe kleiner die mate van dunner worden, hoe groter het VI-getal. Kwaliteitsoliën hebben hoge VI-waarden. Een hoge VI is een minder grote afhankelijkheid van temperatuurveranderingen, daarom wordt er een hoge VI gewenst. Temperatuurafhankelijkheid is immers het grootste nadeel van een hydraulisch systeem. Daarom tracht men de VI ook te verhogen door VI-verbeteraars toe te voegen. Het gaat dan meestal om polymeerkettingen, waardoor de graad van temperatuurafhankelijkheid vermindert. Hoewel de viscositeitsindex geen exacte weerspiegeling is van het VT-gedrag van een olie, wordt die nog veel gebruikt als een middel om oliën te vergelijken. Een olie met een hoge VI heeft een meer horizontale rechte in het VT-diagram. Een olie met een VI = 320 is minder afhankelijk van temperatuurveranderingen dan een olie met VI = 80. 

druk viscositeit
Hoe hoger de druk op de olie, hoe groter zijn dynamische viscositeit (hier uitgedrukt in oude eenheid centiPoise)

Gebruik van het VT-diagram bij de keuze van hydraulische olie

  • Bepaal de meest viscositeitsgevoelige component van het systeem (bv. de pomp).
  • Duid de grenzen aan vanuit de technische data van de pomp: 
         bv. min. 13 cSt, max. 54 cSt, max. koudstart 860 cSt;aanbevolen bereik: min. 32 cSt – max. 48 cSt.
  • Duid de temperatuurgrenzen aan vanuit de werkvoorwaarden: bv. min. 30 °C – max. 60 °C en koudstart: 0 °C.
  • De ideale olie zou deze zijn, waarvoor de VT-lijn de diagonaal is van de rechthoek en het punt (+30 °C, 48 mm²/s) met het punt (+60 °C, 32 mm²/s) verbindt.
  • Vergelijk deze diagonaal met de typelijnen van de standaardviscositeitsoliën (ISO VG 100, 68, 46, 32, 22).
  • De lijn die het best overeenkomt met die diagonaal, is de juiste keuze.
  • De diagonaal (+30 °C, 54 mm²/s) (+60 °C, 13 mm²/s) kan de tweede keuze worden, afhankelijk van de bedrijfsvoorwaarden.

Opmerkingen:

  1. Een te grote viscositeit geeft aanleiding tot cavitatie, de 'erfvijand' van de pompen. Een te dikke olie veroorzaakt grote leidingverliezen. 
  2. Een te lage viscositeit is de oorzaak van een te grote interne lek en onvoldoende smering, dus een te grote slijtage.
  3. Vergeet niet de invloed van andere parameters dan de temperatuur op de viscositeit, bijvoorbeeld die van de druk.