Przy opisie własności płynów roboczych zasadnicza część odnosi się do własności cieczy. Wiąże się to głównie z aktualnym stanem techniki urządzeń płynowych i stosowanych rodzajów płynów. W użyciu znajdują się bowiem niezliczone rodzaje cieczy roboczych, natomiast w urządzeniach pneumatycznych jest wykorzystywane przede wszystkim powietrze jako gaz roboczy. Oprócz tego, ze względu na cenę i długotrwałe używanie cieczy roboczych w cyklu pracy powtarzalnej, w przeciwieństwie do powietrza, które wykorzystuje się w cyklu jednorazowym, zwrócenie głównej uwagi na ciecze robocze wydaje się jak najbardziej celowe. Względy te zadecydowały również i o tym, że w podziale wyodrębniającym skład chemiczny płynów roboczych wyszczególniono bardziej szczegółowo ciecze robocze.

b) Podział ze względu na liczbę faz:

—           płyn jednofazowy — gaz lub mieszaniny gazów, ciecz lub mieszanina cieczy;

—           płyn dwufazowy — emulsja (układ dyspersyjny cieczy w cieczy), mgła (układ dyspersyjny cieczy w gazie), piana (układ dyspersyjny gazu w cieczy),

—           płyn wielofazowy — emulsje, mgły i piany wieloskładnikowe.

W praktyce wykorzystuje się lub dąży do wykorzystania jako płynu roboczego— płynu jednofazowego. Niemniej jednak w wielu przypadkach celowe jest stosowanie jako płynu roboczego również i płynów dwufazowych. W warunkach eksploatacji urządzeń płynowych spotyka się różne rodzaje płynów roboczych.

Rzeczywiste płyny robocze są z zasady płynami wielofazowymi. Zawartość zdyspergowanych cząstek w fazie podstawowej, poza niektórymi zastosowaniami mgły oraz emulsji, stanowi niepożądany dodatek, który będziemy uważać za zanieczyszczenia.

Przedstawiona ogólna klasyfikacja płynów roboczych w zależności od liczby faz ma charakter poglądowy.

b)           Podział ze względu na skład chemiczny:

—           ciecze robocze — organiczne i półorganiczne, na bazie wodnej, ciekłe metale oraz ciecze do jednorazowego użytku stosowane najczęściej w krótkotrwałych cyklach sterowania hydrotermiczne- go lub w urządzeniach spalinowych;

— gazy robocze.

c)            Podział ze względu na lepkość (tylko w odniesieniu do cieczy):

—           klasyfikacja SAE — odpowiednie zakresy lepkości cieczy mają numery;

—           klasyfikacja przyjęta w Europie (zakresy! lepkości w °E w temperaturze oleju 50°C);

—           klasyfikacja przyjęta w USA (zakresy lepkości w uniwersalnych sekundach Saybolta w temperaturze 100°F).

Obie ostatnie klasyfikacje wyróżniają kilka grup cieczy (ekstra płynne, bardzo płynne, półpłynne, półgęste, gęste i bardzo gęste). Różnica polega na nieco odmiennych wartościach zakresów poszczególnych grup dla odpowiednich temperatur (tabl. 1.3).

d)           Podział ze względu na temperaturowe warunki pracy (zakres temperatur otoczenia, w jakich może pracować urządzenie) podano w tabl. 1.4.

e)           Podział ze względu na własności termiczne:

—           ciecze palne (temp. zapłonu do +200°C);

—           ciecze trudno palne (temp. zapłonu +200 do + 300UC);

—           ciecze niepalne (temp. zapłonu powyżej 300°C).

Każda ciecz pali się w określonych warunkach. Ciecze określone jako palne i niepalne nie wykazują skłonności do rozprzestrzeniania się płomienia na otaczającą ciecz w przypadku zapłonu miejscowego.

f)            Podział ze względu na czas pracy:

—           ciecze świeże, nieużywane, otrzymane z rafinerii lub z punktu sprzedaży produktów olejowych (naftowych);

—           ciecze używane, znajdujące się w urządzeniach lub z nich usunięte, lecz nadające się jeszcze do użytku (ciecz świeża z chwilą wprowadzenia jej do urządzenia staje się cieczą używaną);

—           ciecze zużyte, sprzedawane lub oddawane do regeneracji;

- ciecze regenerowane.

g)            Podział ze względu na przeznaczenie.

Tabele klasyfikujące podają zarówno zasadnicze przeznaczenie cieczy, jak również określają warunki, w jakich możliwa jest ich praca. Na ogół spotyka się tego rodzaju podział, zawierający nazwę produktu, normy lub warunki techniczne, znak na opakowaniu, podstawowe parametry (lepkość, temperaturę zapłonu i krzepnięcia) oraz zasadnicze przeznaczenie.

Ogólna klasyfikacja użytkowa cieczy wyróżnia między innymi następujące grupy:

—- ciecze przemysłowe (PM);

—           ciecze sprężarkowe (Sp);

—           ciecze elektroizolacyjne (EL);

—           ciecze technologiczne (Te);

—           ciecze turbinowe (Tu);

—           ciecze silnikowe (SI);

—           ciecze hydrauliczne (Hd);

—           ciecze przekładniowe (Pk).

Poszczególne grupy cieczy dzieli się na podgrupy. I tak np. ciecze hydrauliczne można podzielić na podgrupy w zależności od układu hydraulicznego, w jakim dana ciecz może pracować. A więc ciecze do pracy w układach: lotniczych, obrabiarkowych, górniczych, okrętowych itp.

Coraz trudniejsze warunki eksploatacyjne (w licznych zastosowaniach wojskowych i astronautycznych, hutnictwie, przemyśle górniczym i maszyn drogowych) oraz rosnące wymagania dotyczące niezawodności urządzeń spowodowały wzrost nakładów na badania związane z wprowadzeniem nowych rodzajów cieczy roboczych. W wyniku tego pojawiło się ostatnio wiele nowych typów cieczy roboczych o doskonałych własnościach.

Spośród cieczy palnych należy wymienić tzw. „nową generację cieczy naftowych” o doskonałych własnościach smarnych, istotnych zwłaszcza przy pracy w wysokich ciśnieniach. Są to specjalne oleje samochodowe, oznaczane w USA jako „MS motor oils” lub „anty — zużyciowe” ciecze robocze oraz ciecze niepalne.

Najciekawszymi z cieczy niepalnych są:

—           ciecze syntetyczne — na estrach kwasu fosforowego oraz węglowodorach chlorowanych, o doskonałych własnościach smarnych w wysokich ciśnieniach i dlatego zalecane zwłaszcza dla silnie obciążonych pomp;

— ciecze woda-glikol — o doskonałych własnościach w niskich temperaturach, wymagające jednak stabilizacji temperatury pracy w wyższych temperaturach, w celu uniknięcia strat wody, która stanowi 35-4-50% objętości cieczy roboczej;

— emulsje wodno-olejowe — zalecane zwłaszcza dla potrzeb górnictwa i eksploatacji maszyn na wolnym powietrzu ze względu na wysoką stabilność i niewrażliwość na mróz (np. Houghto-Safe) mają dużą lepkość i wskutek tego mają właściwości łatwego uszczelniania, a ich wyraźny kolor umożliwia szybką lokalizację przecieków; zawierają około 40% wody;

—           ciecze syntetyczne rozpuszczone w oleju — są to stale, stabilne formacje dokładnie selekcjonowanych frakcji ropy naftowej w syntetycznej bazie chlorowanych węglowodorów i estrów kwasu fosforowego; mają najlepsze ze wszystkich wymienionych cieczy właściwości, a ich cena jest zbliżona do ceny cieczy woda-glikol;

—           ciekłe metale (sód, eutektyka sodowo-potasowa, eutektyka sodowo-cezowa, rtęć itp.) — nie stanowią oczywiście cieczy roboczych w ścisłym tego słowa znaczeniu.

Ciekłe metale wykazują znaczne podobieństwo pewnych własności eksploatacyjnych (duży moduł sprężystości objętościowej, podobne zjawiska przy przepływie itp.). Wydaje się, że ciekłe metale stanowią grupę „przyszłościowych” płynów roboczych, ze względu na liczne zalety, niemożliwe do osiągnięcia w przypadku konwencjonalnych cieczy roboczych (wysoka temperatura pracy, łatwość wykonywania pomp bez części ruchomych, wykorzystujących elektryczne własności metali itp.). Należy jednak zauważyć, że ze względu na słabo opracowaną jeszcze teorię i brak doświadczenia praktycznego przy konstrukcji odpowiednich urządzeń, ciekłe metale nie zostały jeszcze w dostatecznym stopniu wprowadzone w technice jako czynnik roboczy.

Dodatkowe zalety w postaci stabilności radioaktywnej umożliwiają stosowanie tej cieczy w zespołach sterujących obiektów o napędzie jądrowym lub znajdujących się pod wpływem różnorodnego napromieniowania w przestrzeni kosmicznej. Z pozostałych zalet tego stopu, jak również wielu innych stosowanych ciekłych metali, należy wymienić bardzo wysoką przewodność cieplną. Powoduje to zmniejszenie się zużycia współpracujących części przy wysokich temperaturach ze względu na szybkie odprowadzenie ciepła od nagrzanych miejsc styku. Niska lepkość większości ciekłych metali wpływa na konieczność projektowania specjalnych uszczelnień elementów ruchomych oraz np. zmniejszania luzów w zespołach par precyzyjnych elementów suwakowych.

Trudności występujące przy projektowaniu urządzeń sterujących pracujących w wysokich temperaturach na ciekłym metalu, jak i na konwencjonalnych cieczach hydraulicznych są podobne. Ciekłe metale nie stwarzają istotnych problemów konstrukcyjnych ze względu na przybliżone parametry hydrodynamiczne w grupie cieczy o tej samej lepkości. Istotną trudność powoduje fakt małej smarowności, co wymaga projektowania wyjątkowo trudnych technologicznie i materiałowo łożysk i uszczelnień. Małe luzy części współpracujących przy dużej gładkości powierzchni powodują m. in. tendencję do trwałego połączenia dyfuzyjnego oraz dużą wrażliwość na zmiany geometryczne.

Przy podsumowaniu wszystkich zalet i wad stosowania ciekłych metali, mają jednak przewagę zalety i dlatego też wykorzystanie ciekłych metali w nowoczesnej technice budowy maszyn jest coraz większe. Prowadzone badania mają na celu poznanie korelacji cech fizyko-chemicznych ciekłych metali i dobór odpowiednich materiałów konstrukcyjnych. Ponadto istotne znaczenie ma również opracowanie stopu o dobrych własnościach, charakteryzującego się zarówno niską temperaturą krzepnięcia, jak i wysoką temperaturą wrzenia.

Urządzenia płynowe pracujące w wyjątkowo trudnych warunkach naturalnych (maszyny budowlane, górnicze, odlewnicze) zawierają do 70% zanieczyszczeń, których źródłem jest otoczenie. Ponadto ilość wszystkich zanieczyszczeń zawartych w cieczy roboczej dopełniają zanieczyszczenia organiczne, stanowiące ok. 20%, a zanieczyszczenia będące wynikiem zużywania się elementów układu ok. 10%. Na ogół, w przeciętnych warunkach pracy urządzeń hydraulicznych samolotów, pojazdów drogowych, maszyn budowlanych, itp. graniczne górne wartości procentowej zawartości zanieczyszczeń wynoszą: piasek kwarcowy — do 75%, minerały łupliwe (kalcyt, smitsonit, syderyt i inne) — do 25%, tlenek aluminium — do 20%, tlenek żelaza — do 5%s tlenek wapnia — do 4%, tlenek magnezu — do 2%, zanieczyszczenia organiczne — do 30%, zanieczyszczenia inne — do 15%.

Twardość kwarcu i szpatów jest wysoka i wynosi od 5 do 7 stopni wg skali Moosa. Tlenki metali i różne inne związki metali oraz cermetale wykazują twardość dochodzącą do 9,5 stopnia wg skali Moosa. One też stanowią główną groźbę unieruchomienia elementów układu.

Zanieczyszczenia naturalne mają, jak już poprzednio omówiono, zasadniczy wpływ na działanie układu płynowego. W większości jednak przypadków, w celu określenia i doboru filtrów do danego układu występują trudności w laboratoryjnych badaniach w wykorzystaniu płynu zawierającego cząstki zanieczyszczeń takie, jakie występują w warunkach eksploatacji. Przemawia to za zastosowaniem zanieczyszczeń testowych — sztucznie przygotowanych i wprowadzonych do płynu. Mieszanina taka następnie była-by użyta do badań filtrów oraz badań jej wpływu na działanie elementów i całego układu.

Dwa przeciwstawne względy warunkują wybór zanieczyszczeń testowych do badań filtrów płynów roboczych. Pierwszy wzgląd wskazuje na wybór zanieczyszczeń testowych o składzie i wymiarach zbliżonych do naturalnych, prowadzi to jednak do dużych błędów w ocenie badanych filtrów ze względu na poważne trudności w prawidłowym określeniu wymiarów zanieczyszczeń. Drugi wzgląd wskazuje na wybór cząstek zanieczyszczeń testowych O’ kształtach regularnych, prowadzi to jednak do skażenia wyników badań, ale zapewnia ich większą jednoznaczność oraz powtarzalność, co w przypadku badań porównawczych ma wyjątkowo duże znaczenie. Trzecim, mniej istotnym powodem ograniczającym zastosowanie zanieczyszczeń testowych jest zachowanie stałego składu zanieczyszczeń w warunkach badań przez różne ośrodki oraz trudności otrzymania proszku testowego o wymaganych własnościach. To wszystko jest przyczyną bardzo zróżnicowanego zestawu używanych w praktyce zanieczyszczeń testowych. Spośród wielu zaleceń, norm i wniosków dotyczących wyboru i stosowania zanieczyszczeń testowych, podane zostaną najbardziej rozpowszechnione i typowe.

Najczęściej stosuje się granulki o kształtach regularnych oraz rzadziej włókna i selekcjonowane osady zanieczyszczeń naturalnych. Te ostatnie stosuje się wykorzystując różne piaski, popiół lotny, osad z filtrów stoisk hydraulicznych, osad uzyskany z regeneracji elementów filtracyjnych dokładnego oczyszczania, naturalny namuł ze skrzyń korbowych silników spalinowych, itd.

W układzie hydrostatycznym ciecz spełnia rolę elementu przenoszącego siły poprzez „statyczne” jej połączenie z elementami mechanicznymi, w układzie hydrokinetycznym — poprzez własną energię kinetyczną.

Dla układów hydraulicznych, podstawowym wymaganiem jest nieściśliwość cieczy oraz taka jej płynność, aby możliwe było wydajne przekazywanie mocy przy najmniejszych stratach. W związku z tym ciecz powinna mieć takie parametry techniczne, aby spełnione były możliwie najdokładniej ogólne wymagania wynikające ze specyfiki pracy układu hydraulicznego.

W odniesieniu do cieczy stosowanych w układach hydraulicznych wymagania te są następujące:

—           ciecz powinna mieć gęstość niezbyt wysoką, aby zanieczyszczenia w czasie przechowywania cieczy mogły swobodnie opadać na dno zbiornika, oraz aby zmniejszyć oddziaływania sił bezwładności;

—           ciecz powinna być odporna na zmiany temperatury; spełniają to ciecze o wysokim wskaźniku lepkości; lepkość cieczy powinna nieznacznie zmieniać się ze zmianą temperatury, aby przy zmianie warunków pracy (temperatury i ciśnień) nie zakłócać pracy urządzenia;

—           ciecz powinna mieć szeroki zakres temperatur roboczych, co zapewnia wysoka temperatura zapłonu oraz niska temperatura krzepnięcia;

—           ciecz powinna zachowywać stałe i dobre własności smarne w całym zakresie temperatur, w jakim może się znaleźć podczas eksploatacji; również adhezja powinna być taka, aby nie występowało zjawisko kawitacji;

—           ciecz powinna zachowywać jednorodność struktury w czasie przechowywania, transportu oraz eksploatacji; stabilność strukturalna jest własnością zmniejszającą szybkość starzenia się cieczy;

—           ciecz nie powinna wydzielać par szkodliwych dla otoczenia

oraz nie powinna być trująca;

—           ciecz nie powinna zawierać ciał stałych mogących zakłócić pracę urządzenia;

—           ciecz nie powinna powodować korozji części metalowych, ani niszczenia elementów uszczelniających;

—           ciecz powinna być odporna na działanie mechaniczne; szczególnie na duże dławienie i ciśnienie;

—           ciecz powinna mieć jak najmniejsze skłonności do tworzenia piany; na powstawanie piany mają wpływ: wadliwa konstrukcja układu (podciśnienie, nieszczelność przewodów, duża cyrkulacja w zbiorniku itp.), obecność powietrza rozpuszczonego w cieczy, zmiany ciśnienia oraz niektóre stałe zanieczyszczenia;

—           ciecz powinna mieć jak najmniejsze skłonności do> wchłaniania płynów (powietrza, innych gazów, wody). Zawartość tych domieszek powoduje intensyfikację procesu starzenia się cieczy i wywołuje korozję; ponadto zawartość gazów w stanie nierozpuszczonym powoduje nierównomierność pracy wskutek zmian ściśliwości i innych parametrów fizycznych;

—           ciecz powinna przeciwstawiać się powstawaniu zmętnień na skutek wydzielin krystalicznych, emulsji wodnej, krótkotrwałych wysokich temperatur, dużych turbulencji itp.;

—           ciecz powinna mieć odpowiednie własności elektryczne i magnetyczne; ciecz robocza powinna być dielektrykiem; pożądane są własności antymagnetyczne lub stałe własności magnetyczne nawet na skutek zanieczyszczeń oraz domieszek;

—           ciecz powinna charakteryzować się łatwością oczyszczania; możliwością ulepszania;

—           ciecz powinna odpowiadać względom ekonomicznym, tzn. powiiłna mieć taką cenę, aby zapewniała ekonomiczność pracy urządzenia przy spełnianiu wymagań stawianych podczas pracy.

Wymagania techniczne określają te wartości parametrów płynu roboczego, które są niezbędne dla właściwej pracy urządzenia, z drugiej strony powinny być takie, aby charakteryzowały ciecz roboczą i były łatwe do określenia. Do podstawowych parametrów określanych przez warunki techniczne należą: gęstość czynnika, lepkość kinematyczna dla dwu, trzech lub czterech różnych temperatur (np. —10, +20 i +50°C), temperaturowe punkty charakterystyczne, zawartość domieszek i dodatków (inhibitor utleniania i korozji, dodatki poprawiające wskaźnik lepkości, własności smarne, dodatki przeciwpieniące i przeciwemulgujące, depresator) oraz inne.

Przedstawione wyżej wymagania ogólne oraz względy fizykochemiczne cieczy prowadzą do wysunięcia następujących wniosków i zaleceń w zakresie stosowania cieczy roboczych:

1.            Zadowalające działanie urządzenia zależy nie tylko od prawidłowo zaprojektowanego obwodu, ale również od sprawnego działania wszystkich elementów, w tym i od rodzaju stosowanej cieczy. Ciecz musi być uważana za równorzędny element składowy urządzenia, konieczny dla jego poprawnego działania.

2.            Projektowanie układu hydraulicznego musi opierać się na znajomości średniej lepkości cieczy roboczej. Poszczególne elementy obwodu muszą mieć taką tolerancję, aby w dozwolonym zakresie temperaturowym było zapewnione sprawne działanie urządzenia w jak najdłuższym okresie czasu.

3.            Opór przepływu i tarcie wewnętrzne cieczy spowodowane lepkością muszą być takie, aby straty energii (m. in. wydzielanie się ciepła) były jak najmniejsze. Z tego powodu teoretycznie najlepiej używać olejów ekstra płynnych. Praktycznie ograniczenia istnieją ze względu na przecieki (uwarunkowane szczelnością elementów obwodu) i smarowanie. Należy więc używać oleju dość płynnego, aby umożliwić swobodne jego krążenie w obwodzie, a zarazem dość gęstego, aby zapewnić największy współczynnik sprawności (jak najmniejsze przecieki).

4.            Z chwilą uzyskania temperatury krzepnięcia, lepkość danej cieczy rośnie nieskończenie. Wzrost lepkości dla tych samych różnic temperatur jest większy bliżej temperatury krzepnięcia. Dla scharakteryzowania „czułości” na zmiany temperatur cieczy wprowadzono wskaźnik lepkości (Dean i Davis). Im wyższy jest ten wskaźnik lepkości, tym mniejszy spadek lepkości wykazuje dany olej w miarę wzrostu temperatury i odwrotnie. Posługiwanie się wskaźnikiem lepkości umożliwia natychmiastową ocenę podstawowych własności cieczy przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach. Dlatego też jest wskazane, aby wszystkie typy cieczy hydraulicznych miały podany wskaźnik lepkości.

5.            Najbardziej racjonalną ze wszystkich dotychczasowych metod wyznaczania „czułości” lepkościowo-temperaturowej jest metoda współczynnika temperaturowego (Wilcock) uwzględniająca również konkretną wartość lepkości w określonych temperaturach. Warto się zastanowić, czy stosowanie tej metody jest bardziej uzasadnione i czy nie lepiej byłoby posługiwać się tym współczynnikiem.

6.            Bardzo istotną cechą cieczy jest smarność i przyczepność. Ciecz jest tym lepsza, im bardziej jest zdolna tworzyć na powierzchni metalu bardzo cienką błonę smarującą, szczególnie gdy na powierzchni tarcia działa wielkie ciśnienie i gdy występują nierówności powierzchni. Istnieją specjalne dodatki przeciwścierne, które uniemożliwiają przebicie błony smarującej nawet przy du-żych ciśnieniach lokalnych. Tworzą one dodatkową cienką błonkę, chemicznie połączoną z metalem, w przypadku zaistnienia niebezpiecznie wysokich ciśnień i temperatur.

7.            Zawartość wody i powietrza w olejach mineralnych prowadzi do tworzenia emulsji i piany. Zjawiska te są przyczyną nierównomiernej pracy elementów układu hydraulicznego i ich nadmiernego nagrzewania się. Należy opracować metody kontroli powstawania piany w obwodzie oraz jej usuwania.

8.            Obecność wody w obwodzie hydraulicznym nie przystosowanym do tej ewentualności może doprowadzić do korozji części metalowych (szczególnie stalowych). Korozja układu hydraulicznego może doprowadzić do wielkich strat, a zatem należy wprowadzić specjalne dodatki (np. wchłaniacze) chroniące metal przed działaniem czynnika korodującego.

9.            Do wyznaczenia zawartości węglowodorów aromatycznych służy punkt anilinowy, określający najniższą temperaturę, w której olej rozpuszcza się klarownie w takiej samej ilości suchej aniliny. W obecności tych węglowodorów następuje rozpuszczenie, napęcz- nienie i zmiękczenie uszczelek szczególnie z kauczuku naturalnego, częściowo syntetycznego i innych materiałów uszczelniających. Węglowodory parafinowe mają bardzo małe „właściwości łączenia” oleju, co obniża smarność, podwyższa zaś wskaźnik lepkości.

10.          Węglowodory wchodzące w skład oleju mogą ulec przemianom chemicznym pod wpływem ciepła i tlenu zawartego w powietrzu. Proces utleniania może przebiegać szybciej na skutek działania katalizacyjnego niektórych metali (szczególnie miedzi). Prowadzi to do starzenia się oleju. Należy zatem dokładnie wyznaczyć czas stabilności chemicznej, obserwując i prowadząc analizę chemiczną oleju z uwzględnieniem warunków pracy (temperatura, ciśnienie, zanieczyszczenie).

11.          Każdą z podstawowych własności oleju należy brać pod uwagę i dążyć do tego, aby te własności były optymalne. Niektóre parametry mogą być poprawione przez zastosowanie dodatków, inne przez przeprowadzenie określonych zabiegów technologicznych. Należy jednak zaznaczyć, że dodatki mogą polepszyć jedną własność, a często być przyczyną pogorszenia innych własności. Konieczne jest więc takie ich dozowanie, aby olej mógł jak najlepiej spełniać postawione mu zadanie. Wymaga to jednak żmudnych i długotrwałych prób.

12.          Woda jest najtańszym płynem stosowanym w układach hydraulicznych. Ma ona niską smarność oraz powoduje korozję części metalowych. Rozpuszczone w wodzie oleje mineralne poprawiają smarność. Wadą takiego rozwiązania jest powstająca korozja biochemiczna, spowodowana przez fermentację anaerobów w zamkniętym obiegu.

13.          Ciecze otrzymywane w wyniku syntezy są coraz częściej stosowane w układach hydraulicznych. Zastosowanie swoje zawdzięczają na ogół niskiej temperaturze krzepnięcia, dobrej stabilności lepkościowej (wyższy wskaźnik lepkości) oraz okoliczności, że są to najczęściej płyny ognioodporne.

14.          Cieczą najczęściej stosowaną w układach regulacji jest olej mineralny. Dzięki swoim własnościom jest on jednym z najlepszych płynów w zakresie temperatur od +5 do 50°C. Dobrze dobrany olej mineralny może znacznie polepszyć sprawność urządzenia.

15.          Zanieczyszczenie oleju powoduje z jednej strony konieczność filtrowania, z drugiej zaś — konieczność okresowych przepłukiwań elementów układu. Ma to na celu usunięcie zanieczyszczeń osiadłych w przewodach i komorach roboczych obwodu. Do przepłukiwania obwodu nie można stosować wody (ze względu na korozję), benzyny oraz nafty (uszkodzenia złączy). Należy używać specjalnego oleju o dobrych własnościach czyszczących.

16.          W hydraulicznych układach przemysłowych, lepkość oleju powinna się zawierać w zakresie: dolna granica 2 stopni Englera przy 50°C (ze względu na przecieki), górna granica 120 stopni Englera. Powyżej tej górnej granicy lepkości olej nie może być pompowany. W tym zakresie może łatwo wystąpić kawitacja.

17.          Własności oleju podczas dłuższej pracy mogą ulegać zmianie. Należy prowadzić okresową kontrolę lepkości i zmiany liczby kwasowej, w celu stwierdzenia oznak starzenia się oleju. Najlepiej jest określić dokładnie warunki techniczne takich prób, wskazujących na możliwość utrzymywania parametrów urządzenia hydraulicznego w ścisłej charakterystyce energetycznej, co stanowi jego przewagę nad innymi urządzeniami, np. elektrycznymi.

18.          Istnieje możliwość wyboru między kilkoma typami cieczy roboczych: woda, oleje syntetyczne, oleje mineralne, ciekłe metale. Ciecze pochodzenia syntetycznego, jeśli są ognioodporne, mają zarazem wysoką wydajność i uniemożliwiają powstanie pożaru nawet przy przeciekach lub uszkodzeniach układu.

Oleje syntetyczne, których zakres temperatury pracy jest przesunięty na ogół w górę (do ok. 200°C) mają między innymi tę wadę, że jako bardzo płynne tworzą cienkie warstwy” smarne. Wymaga to bardzo gładkich powierzchni i bardzo dokładnych filtrów, co w konsekwencji podraża koszty eksploatacji. Niemniej jednak wysokie wskaźniki lepkości olejów syntetycznych (np. olejów silikonowych) mogą skłonić do przypuszczeń, że w dalszej fazie rozwoju urządzeń hydraulicznych znajdą one szerokie zastosowanie. Ciecze silikonowe spełniają w głównej mierze wszystkie wymagania ogólne i techniczne stawiane cieczom roboczym i powinny być w zasadzie stosowane w pierwszej kolejności. Pewnym ograniczeniem w obecnym czasie jest mała produkcja olejów silikonowych oraz brak tradycji.

Spośród typowych kształtów cząstek zanieczyszczeń wyróżnia się w praktyce najczęściej dwie lub trzy podstawowe grupy: kuliste, płytkowe i włosowe (rys. 1.15). Kryterium takiego podziału opiera się na wzajemnych stosunkach trzech głównych wymiarów cząstki: długości (największy wymiar liniowy), grubości i szerokości (określających przekrój cząstki w płaszczyźnie prostopadłej do długości). Jeżeli wszystkie trzy wymiary są w przybliżeniu równe sobie, to cząstki takie niezależnie od stopnia podobieństwa do kształtu bryły regularnej zalicza się do cząstek o kształcie kulistym. Jeżeli wymiary określające przekrój cząstki są zbliżone do siebie, ale dużo mniejsze od długości, to takie cząstki są zaliczone do grupy cząstek o kształcie włosowym. Jeżeli jeden z wymiarów głównych określający cząstkę jest dużo mniejszy od dwu pozostałych, to cząstki takie są zaliczane do grupy cząstek płytkowych.

Wyróżnienie grup kształtów cząstek prowadzi jednak zawsze do konieczności określenia przynajmniej jednego wymiaru charakteryzującego wielkość cząstki. Ze względu na znaczne rozbieżności w definiowaniu wymiarów zastępczych cząstek, autor wprowadził podstawową definicję średnicy nominalnej cząstki uniezależniającą od sposobu pomiaru i kształtu cząstki. Definiowanie takie jest szczególnie przydatne w opisie procesu filtrowania płynów roboczych.

Średnicą nominalną cząstki rzeczywistej o kształcie nieregularnym nazywać będziemy średnicę odpowiadającą równym sobie prawdopodobieństwom mechanicznego zatrzymania lub przejścia cząstki przez otwór kołowy o średnicy y = xnam.

Umowną średnicą nominalną cząstki o kształcie nieregularnym nazywać będziemy średnicę odpowiadającą umownym wartościom prawdopobieństw mechanicznego zatrzymania i przejścia cząstki przez otwór kołowy o średnicy y = xnom.

Zakresem nominalnych wymiarów cząstki o kształcie nieregularnym xm-,n—xmax nazywać będziemy najmniejszy zakres średnic odpowiadający wartości 0 i 1 prawdopobieństwa zatrzymania lub przejścia cząstki przez otwory kołowe w średnicy y = x\min i y = xmax. Zakres wymiarowy cząstki o najprostszym przypadku odpowiada geometrycznie wartościom mieszczącym się między średnicami koła opisanego w „najwęższym” i „najszerszym” przekroju rzutu cząstki.

W praktyce korzysta się z wielu definicji średnic zastępczych i umownych cząstki. Wyróżnia się zastępcze wymiary geometryczne związane z powierzchnią i objętością cząstki, umowne wymiary geometryczne związane z oceną rzutu cząstki na płaszczyznę (tzw. wymiary projekcyjne) oraz wymiary określone na podstawie cech fizyko-chemicznych cząstek (cechy płynodynamiczne, radiacyjne, cieplne, elektryczne, itp.).

Na pokreślenie zasługują cztery wymiary projekcyjne, określające średnie statystyczne średnice cząstek (rys. 1.17):

— średnica G. Martina dM — długość linii dzieląca na dwie równe części rzut cząstki; długość ta jest określana w danym zbiorze cząstek zawszę w tym samym kierunku;

—           średnica V.D. Frechette’a dF — odległość między dwiema równoległymi liniami stycznymi do zarysu rzutu cząstki;

—           średnica średnia cząstki ds — wymiar określony przez średnią arytmetyczną lub geometryczną dwu wymiarów liniowych w kierunku prostopadłych do siebie,

—           średnica powierzchniowa cząstki dp — średnica określająca powierzchnię koła równego powierzchni rzutu cząstki.

W dokładnych badaniach procesów filtrowania płynów jest wymagana ilościowa znajomość wymiarów cząstek zanieczyszczeń. W tym przypadku nie jest wystarczająca znajomość wymiarów cząstek, ale przede wszystkim ich rozkład wymiarowy, np. rozkład liczby cząstek w funkcji średnic nominalnych.

Wynika to z faktu, że zanieczyszczone płyny robocze stanowią układ zawierający cząstki zanieczyszczeń, których średnice są zawarte w szerokim zakresie wymiarowym. O ile dla scharakteryzowania np. układów koloidalnych wystarcza często określenie średniej średnicy cząstek lub jej odwrotności (stopnia dyspersji), o tyle w badaniach zanieczyszczeń płynów roboczych a szczególnie cieczy, niezbędne staje się określenie zakresów wymiarowych, wyszczególniających ilość cząstek oraz udziały ilościowe w tych zakresach; dalej posuniętą oceną rozkładu cząstek w płynach są ich opisy analityczne dokonywane przy wykorzystaniu znormalizowanych funkcji ciągłych gęstości rozkładu prawdopodobieństw występowania cząstek w płynie. Wreszcie najdoskonalszym opisem wielkości charakteryzujących rozkład cząstek w płynie jest przedstawienie analityczne rozkładu w postaci funkcji gęstości, w której zmienną określającą wymiar cząstki jest wartość najbardziej praw-dopodobna skutku „działania” tego wymiaru w danym zastosowaniu, a więc dla uzmiennionej średnicy poszczególnej cząstki.

Rozkład wymiarowy cząstek jest tutaj szczególnym przypadkiem rozkładu określonego doświadczalnie, w którym ocenia się, na podstawie określonego kryterium, zastępcze (stałe) średnice cząstek. Konieczność „uzmieniania” średnic cząstek jest spowodowana niemożliwością ścisłego opisu, przy użyciu jednego tylko wymiaru liniowego, pełnych cech geometrycznych cząstki.

Poniżej przedstawiono interesujące w praktyce wielkości charakteryzujące cząstki zanieczyszczeń płynów wg podziału na frakcje wymiarowe. Przyjmując, że w przedziale wymiarowym Axj wartość Xj jest średnicą reprezentującą wymiar cząstek frakcji, a N jest sumą wszystkich cząstek z poszczególnych przedziałów

Przykład. Dokonano pomiaru zanieczyszczeń w trzech próbkach powietrza pobranego z kopalni węgla. Przeprowadzono analizę składu wymiarowego cząstek zanieczyszczeń w zakresie wymiarów od 10 do 100 (im. Zakres wymiarów podzielono na 10 różnych frakcji. Rozkład liczby cząstek w poszczególnych próbkach z podziałem na frakcje przedstawiono na rys. 1.18, zestawienie niektórych średnic zastępczych — w tabl. 1.19 oraz dla II próbki wielkości charakteryzujące frakcje wymiarowe zanieczyszczeń — w tabl. 1.20. Pomiary dokonano na podstawie zdjęć mikroskopowych próbek. Przykładowe fotografie są pokazane na rys. 1.19, na którym wyodrębniono dwie cząstki w celu zwrócenia uwagi na rzeczywiste kształty rzutu cząstek zanieczyszczeń.

Teoretycznie każdy gaz chemicznie obojętny (ze względu na trwałość elementów konstrukcyjnych) i nietoksyczny może być wykorzystany jako czynnik roboczy. W praktyce jednak z wyjątkiem kilku nietypowych przypadków (stosowanie gazów spalinowych w niektórych pociskach rakietowych lub azotu w układach wysokociśnieniowych — ze względu na bezpieczeństwo) stosuje się powietrze o ciśnieniu 4-^7 kG/cm2. Jest to uzasadnione wieloma korzyściami wynikającymi z przyjęcia takiego właśnie rozwiązania, a mianowicie: taniością i prostotą konstrukcji, trwałością i niezawodnością działania, łatwością konserwacji i remontów układu, elastycznością w dostosowaniu się do warunków pracy, bezpieczeństwem przeciwpożarowym.

Najprostszym rozwiązaniem tego problemu okazuje się podawanie jednego zastępczego wymiaru mikroobiektu charakterystycznego dla regularnego kształtu geometrycznego. Istnieje jednak tendencja wyróżniania dwu kategorii kształtu mikroobiektów stałych, występujących w płynach roboczych: włóknistych, o dużym stosunku długości do „średnicy” i niewłóknistych, do których zalicza się wszystkie mikroobiekty nie sklasyfikowane jako włókniste.

Drugą trudność sprawia identyfikacja mikroobiektów i określenie, które z nich należy traktować jako zanieczyszczenia. Przyjęto, że zanieczyszczeniami są przede wszystkim mikroobiekty znajdujące się w fazie stałej (cząstki stałe) i krążące w układzie razem z płynem roboczym. Nie są zatem zaliczane do zanieczyszczeń np. mikronierówności powierzchni metalowych, które stanowią jedynie potencjalną grupę mikroobiektów-zanieczyszczeń. Nie są również klasyfikowane pęcherzyki gazowe w cieczy jako zanieczyszczenia, pomimo istotnie szkodliwego ich wpływu na działanie układu hydraulicznego, aczkolwiek w wielu układach są stosowane urządzenia usuwające gaz z cieczy (deaerolizatory- -aspiratory). Ponadto nie ma dotychczas żadnych dokumentów precyzujących dolną granicę twardości cząstek, poniżej której cząstki stałe oraz cząstki wykazujące własności wyraźnie Teologiczne, nie byłyby zaliczane do zanieczyszczeń.

Wreszcie trzecią, chociaż nie ostatnią, trudność sprawia określenie ilości zanieczyszczeń w płynach roboczych. Uważa się, że najlepszym wskaźnikiem jest podanie koncentracji zanieczyszczeń (szt./jedn. objętości) dla umownych zakresów wymiarowych. Najwygodniejszą formą określania koncentracji cząstek jest przyjęcie podstawowej jednostki objętości. Dla cieczy najczęściej wynosi ona 100 ml, dla gazów 1 m3 w warunkach normalnych.

Niezależnie od określenia koncentracji liczbowej zanieczyszczeń z podziałem na zakresy wymiarowè, klasyfikuje się stopnie czystości według sumarycznej liczby cząstek zanieczyszczeń w jednostce objętości oraz według ciężaru zanieczyszczeń. Te dwie ostatnie klasyfikacje są uważane za pomocnicze przy ocenie stopnia czystości.

Odrębnym zagadnieniem w ocenie czystości głównie cieczy roboczych jest przyporządkowanie ustalonej klasy czystości określonym typom układów hydraulicznych lub też narzucenie warunków technicznych czystości cieczy roboczych w zależności od warunków eksploatacji i przeznaczenia układów hydraulicznych. Względy powyższe doprowadziły na przykład do podziału cieczy i układów lotniczych na 4 typy (The Aerospace Industries Association, ATC Report No. ARCT-28, „Spécification for Contamination Control of Hydraulic Fluid”, USA):

A.           ciecz w zbiorniku dostawczym,

B.            układy lotnicze,

C.            układy obsługi (wymiana cieczy z układami lotniczymi),

D.           układy sterujące podstawowe (bez wymiany cieczy z układami lotniczymi).

Niezależnie ód występujących trudności w definiowaniu stopnia czystości cieczy roboczych w układach hydraulicznych, opracowano wiele dokumentów klasyfikacyjnych. Najbardziej szczegółowym dokumentem klasyfikującym poziomy zanieczyszczeń jest Narodowa Norma Lotnicza (National Aerospace Standard) 1638 wydana przez Aerospace Industries of America Incorporated (USA) (tabl. 1.16). Progresja od klasy 00 do klasy 12 jest uzyskana dla każdej klasy w zasadzie przez podwojenie dopuszczalnej liczby zanieczyszczeń z poprzedniej klasy.

Zakresy według NAS 1638 zostały już powszechnie przyjęte w przemysłach lotniczych i hydrauliki siłowej w USA i Anglii. Liczba cząstek w każdym zakresie wymiarów danej klasy jest oparta na liczbie oczekiwanej w przeciętnym układzie hydraulicznym. Taki stosunek zanieczyszczeń można zaobserwować w dużych próbkach cieczy spuszczonej z układów hydraulicznych.

Układ taki ma przeważającą liczbę małych cząstek, będących produktem zużycia współpracujących ze sobą części lub erozji powstałej przy dużych prędkościach cieczy. Poziom zanieczyszczeń utrzymujący się w układzie hydraulicznym naziemnym jest w przybliżeniu o jedną klasę według NAS 1638 niższy niż w układzie hydraulicznym lotniczym. Stąd mniej surowe kryteria czy-stości dla hydraulicznych układów naziemnych.

Normy NAS 1638 są bardziej uznane niż klasyfikacja SAE, ASTM, ATA Tentative Standard. Klasa zanieczyszczeń NAS 1638 przewyższa klasę Tentative Standard o 3 jednostki dla takiego samego w przybliżeniu poziomu, tzn. klasa 8 według NAS 1638 odpowiada w przybliżeniu klasie 5 według Tentative Standard.

Wadą dotychczasowych klasyfikacji jest ścisłe określanie ilości cząstek dla wielu zakresów wymiarowych, tak że wiele cieczy, w których ogólna liczba cząstek odpowiada danej klasie, a liczba cząstek w poszczególnych zakresach wymiarowych odbiega od podanych w normach, sprawia iż nieraz trudno ją zaliczyć do jednej z podanej w normach klasy.

W zakresie „normalizacji” czystości gazów roboczych dokonano niewiele. Trudno podać przyczynę takiego stanu rzeczy. Istniejące dotychczas zalecenia obejmują stosunkowo wąską gałąź urządzeń gazowych, a zakres wymagań dotyczących poziomów zanieczyszczeń nie jest wyraźny i jednoznaczny. Zajmiemy się zatem tą dziedziną zastosowań, w której gazy robocze są przeznaczone do zasilania pneumatycznych urządzeń sterujących i napędowych. Przeznaczenie gazu roboczego i wartości parametrów technicznych są najczęściej kryterium podziału określającego z kolei wymagania techniczne. Rozróżnia się najczęściej następujące rodzaje urządzeń pneumatycznych;

— urządzenia sterujące niskiego, średniego i wysokiego ciśnienia (zawierające również czysto mechaniczne elementy ruchome);

—           urządzenia sterujące strumieniowe (bez czysto mechanicznych elementów ruchomych);

—           urządzenia pneumatyczne napędowe;

—           urządzenia sterujące i napędowe wysokotemperaturowe (na tzw. „gorące gazy”).

Do podstawowych parametrów technicznych gazów roboczych zalicza się ciśnienie zasilania (dla urządzeń sterujących średniego ciśnienia wynosi ono 1,4; 2,5; 4,0; 6,0; 8,0; oraz 10 kG/cm2), dopuszczalne zakresy prędkości przepływu, temperaturę, skład chemiczny fazy podstawowej oraz zawartość zanieczyszczeń (domieszek cieczy, ciał stałych, par i innych gazów): Poniżej przedstawiono dane dopuszczalnych zawartości domieszek (zanieczyszczeń różnego rodzaju) w powietrzu stosowanym jako gaz roboczy w urządzeniach sterujących niskiego, średniego i wysokiego ciśnienia;

1)            -              nie dopuszcza się zawartości wody w postaci kropel, a w postaci pary dopuszcza się pod warunkiem, że punkt rosy powietrza przy ciśnieniu roboczym znajduje się co najmniej o 10UC poniżej najniższej temperatury eksploatacji urządzenia;

2)            nie dopuszcza się zawartości olejów mineralnych, jak również innych cieczy (kwasów, zasad) w postaci kropel;

3)            dopuszczalne zawartości w temperaturze 20°C przy ciśnieniu atmosferycznym 760 mm Hg olejów mineralnych i innych cieczy smarnych w postaci par w powietrzu jako gazie roboczym wynoszą do 1,5 lub 3 mg/m3 w temperaturze pracy od -^30 do +50°C i do 1 lub 2 mg/m3 w temperaturze pracy od —50 do +50°C;

4)            dopuszcza się zawartości śladowe (bez podawania ilości) par niektórych kwasów i zasad;

5)            zawartość wagowa zanieczyszczeń stałych nie może przekraczać 0,1 mg/m3 powietrza określona w warunkach 20″C przy ciśnieniu atmosferycznym 760 mm Hg;

6)            nie dopuszcza się, aby w powietrzu wchodzącym do urządzenia znajdowały się cząstki stałe, których największy wymiar liniowy przekracza 0,5 lub 5 mikrometrów.