Tutkimus eräiden kasviöljyjen käyttömahdollisuuksista hydrauliikan toiminta-aineena

Diplomityö

TUTKIMUS ERÄIDEN KASVIÖLJYJEN KÄYTTÖMAHDOLLISUUKSISTA HYDRAULIIKAN TOIMINTA-AINEENA

Työn ohjaaja: apul. prof. Antti Saarialho Työ annettu:- 1978-04-18

Jämeräntaival 7 A 96 02150 Espoo 15

Otaniemessä 1978-05-25

ALKULAUSE

Tämä diplomityö on tehty Teknillisen korkeakoulun auto- laboratoriossa apul. prof. Antti Saarialhon johdolla.

Apul. prof. Saarialhoa kiitän lämpimästi työn edellytys­

ten luomisesta ja työn tekemisen aikana saamastani arvok­

kaasta avusta.

Maj ja Tor Nesslingin säätiötä kiitän tämän työn talou­

dellisesta tukemisesta, jota ilman työn tekeminen ei olisi ollut mahdollista.

Insinööri Antero Salmista Sperry Vickersiltä kiitän työn tekemisen aikana saamistani monista neuvoista sekä koe­

laitteiston lainasta.

Dipl. ins. Eero Särkkiä Raision tehtailta, fil. maist. Maj- Len Johanssonia Öljynpuristamo Oy.stä ja ins. Erik Tuomista Esso‘Oy:stä kiitän heidän antamistaan neuvoista koeöljyjä valittaessa ja heidän toimittamistaan koeöljyistä.

Lab. ins. Matti Juhalaa, ass. Juha Pentikäistä ja mekaanikko Reijo Mikkolaa autolaboratoriosta kiitän kaikesta siitä

avusta, jonka sain heiltä koelaitteistoa rakentaessani ja kokeita suorittaessani.

ALKULAUSE

JOHDANTO... 1

1. HYDRAULINESTEILLE ASETETTAVIA VAATIMUKSIA .... 3

1.1 Nesteen tehtävät ... 3

1.2 Voiteluominaisuudet ja kulumisenesto ... 5

1.3 Ominaisuuksien säilyminen käytön ja varas­ toinnin aikana 7

1.4 Viskositeetti ... 8

1.5 Kylmäominaisuudet ... ... 16

1.6 Yhteensopivuus muiden materiaalien kanssa .. 18

1.7 Lämmönsiirto-ominaisuudet ... 19

1.8 Bulkmoduli ... 19

1.9 Haihtuvuu s ... 22

1.10 Vaahtoaminen ja ilman liukeneminen nesteeseen ... 23

1.11 Lampolaajeminen ... 26

1.12 Demulsio-ominaisuudet ... 26

1.13 Ruosteenesto ... 27

1.14 Pálamattomuus.... ... 28

1.15 Tiheys ... 30

1.16 Myrkyt tömyys ... '... 31

1.17 Haju ... 31

1.18 Väri ... 31

1.19 Eristysominaisuudet ... 32

1.20 Saatavuus ... 32

1.21 Säteilyn vaikutus ... 32

2. HYDRAULIÖLJYTESTIT ... ... !.. 33

2.1 Testityypit, merkitys... ... 33

2.1.1 Laboratoriokokeet ... 33

2.1.2 Penkkikokeet ... 35

2.1.3 Täysimittaiset kokeet ... 37

2.2 Standardisoimiajärjestöt ... 37

3. ELÄIN- JA KASVIÖLJYT ... 40

3.1 Voiteluaineiden historiaa ... 40

3.2 Kasvi- ja eläinrasvojen käyttö voiteluainei­ na tällä vuosisadalla ... 42

3.3 Nimitykset, rasvojen ja öljyjen muodostuminen 44 3.4 Rasvojen rakenne, pilaantuminen ... 45

3.5 Pilaantumisen esto '... 47

3.6 Rasvojen tunnuslukuja ... 49

3.7 Eläin- ja kasvirasvojen ominaisuuksia hydraulikäytön kannalta ... 51

3.7.1 Yleistä ... 51

3.7.2 Voiteluominaisuudet ja kulumisenesto * 52 3.7.3- Ominaisuuksien säilyminen käytön ja varastoinnin aikana ... 53

3.7.4 Viskositeetti ... 54

3.7.5 Kylmäominaisuudet ... 57

3.7.6 Yhteensopivuus muiden materiaalien kanssa ... 58

3.7.7 Lämmönsiirto-ominaisuudet ... 59

3.7.8 Bulkmoduli ... 60

3.7.9 Haihtuvtius ... 60

3.7.10 Vaahtoaminen ja ilman liukeneminen nesteeseen ... 61

3.7.11 lämpölaajeneminen... 62

3.7.12 Demulsio-emulsio-ominaisuudet ... 62

• 3.7o13 Ruosteen- ja korroosionesto ... 63

3.7.14 Savu-, leimahdus- ja palamispisteet... 63

3.7.15 Tiheys, ominaispaino ... 65

3.7.16 Myrkyllisyys ... 66

3.7.17 Haju ... 67

3.7.18 Värj... 67

3.7.19 Eristysominaisuudet ... ... 68

, 3.7.20 Saatavuus ... 68

3.7.21 Säteilyn vaikutus ... 69

4. KOEÖLJYJEN VALINTA, KOELAITTEISTO JA KOKEIDEN SUORITTAMINEN ... ... 70

4.1 Öljyjen valinta ... 70

4.2 Koelaitteisto ...V... 72

4.2.1 Yleistä... ... 72

4.2.2 Hydraulikaaviо, laitteiston rakenne .... 72

4.2.3 Pumppu ... 75

4.2.4 Muut hydraulikomponentit ... 75

4.2.5 Sähkölaitteet ... 78

4.2.6 Varolaitteet ... 79

4.2.7 Kaasusuoja ... 79

4.2.8 Mittalaitteet järjestelmän toiminnan tarkkailemiseksi ... 80

4.3 Mittaukset ... 82

4.5.1 Koeolosuhteet ... 82

4.3.2 Tutkimuskohteet ... 84

4.3.5 Mittausten suorittaminen ... 85

5. KOETULOKSET ... 88

5.1 Toteutunut koeohjelma ... 88

5.2 Viskositeetit ja viskositeetti-indeksit ... 91

5.5 Kokonaishappoluvut ... 95

5.4 Jähmepisteet ... 97

5.5 Painohäviöt ... 99

5.6 Pinnankarheudet ... 101

5.7 Yhteenveto koetuloksista ... . 107

V 6. KASVIÖLJYJEN KÄYTTÖMAHDOLLISUUKSIA HYDRAULII­ KASSA ... 109

» . . 7. KASVI- JA MINERAALIÖLJYJEN HINNAT, KOTIMAISTEN KASVIÖLJYJEN SAATAVUUS"... 111

7.1 Kasvi- ja mineraaliöljyjen hinnat keväällä 1978 ... 111

7.2 Kotimaisten kasviöljyjen saatavuus ... 113

8. KASVI- JA ELÄINÖLJYT ELASTOHYDRODYNAAMISEN VOITE1UTEORIÄN KANNALTA ... 115

8.1 Elastohydrodynaamisen voiteluteorian taustaa . 115 8.2 EHD-teorian käyttöalueet, laskentakaavat .... 115

8.3 ' Vertailu käytettäessä min e r aa.1 i ö 1 j у ä ja kasviöljyä samassa voitelutilanteessa ... 118

10. YHTEENVETO ... 127 LÄHDELUETTELO ... ¿... 130

JOHDANTO . ' . •

Synteettisten- ja mineraaliöljyjen käyttö luonnossa tai vesistöjen äärellä toimivissa koneissa muodostaa vaarate­

kijän, jonka luontoa saastuttavaa merkitystä ei pidä ali­

arvioida. Maapallon mineraalioijyvarojen lisäksi jatkuvasti vähetessä on tullut ajankohtaiseksi etsiä niille sijaistuot­

teita, joilla ei ole luonnonsuojelullisia haittoja.

Synteettiset öljyt eivät aina muodosta ratkaisua halutta­

essa korvata mineraaliöljyt jollain muulla tuotteella. Kor­

kea hinta ja lisäaineista johtuvat luontoa saastuttavat tekijät eivät puolla niiden käyttöä . Korvaamalla mineraa­

liöljyt kasvi- tai eläinkunnan tuotteilla voidaan luontoon päässeen hydraulinesteen saastevaikutusta vähentää. Kasvit ja eläimet voivat jopa käyttää hyväkseen näitä luonnontuot­

teita.

Viimeaikaisissa tutkimuksissa on mineraaliöljyissä käytetty­

jen lisäaineiden todettu aiheuttavan luonnon ravintoketjussa vaarallisia kumulatiivisia vaikutuksia. Mineraaliöljyjen voi­

teluominaisuuksia ja palamattomuutta parantamaan käytetty lisäaine polykloorattu bifenyyli (PCB) aiheuttaa eläimille samantapaisia vaurioita kuin DDT. Seurauksena on ollut mm.

hylkeillä lis ään tymi sky v.yn menetystä.

Tässä työssä on tavoitteena löytää sellaisia mahdollisia mineraaliöljyjen korvikkeita, joilla ei ole luontoa saastut­

tavia vaikutuksia. Työ jakaantuu kahteen osaan, teoreetti­

seen ja kokeelliseen.

Teoreettinen osa jakaantuu edelleen kolmeen osaan. Ensimmäi­

sessä on määritelty hydrauliöljyille asetettavat vaatimukset.

Koska monasti syytetään hydraulinestettä, vaikka vika on jär­

jestelmässä, annetaan samassa yhteydessä eräitä hydraulijär­

jestelmän suunnitteluun liittyviä ohjeita. Useimmat toimin­

tahäiriöt voidaan välttää järjestelmän paremmalla suunnitte­

lulla.

Toisessa kappaleessa käsitellään hydrauliöljytestejä ja stan­

dardisointijärjestöjä. Hydraulinesteiden keskinäisen vertai­

lun helpottamiseksi ja ominaisuuksien selvittämiseksi on hyvä tietää, kuinka niitä tutkitaan ja mistä saa tietoa. Hydrauli- öljytestit on jaettu eri tyyppeihin ja käsitelty näiden merki­

tystä ja korrelaatiota käytäntöön.

Eläin- ja kasviöljyjä ja niiden ominaisuuksia on käsitelty kirjallisuustutkimuksen pohjalta kappaleessa kolme. Kappa­

leen alussa on lyhyt voitelun ja voiteluaineiden historiikki, jossa todetaan mm. kuinka vasta 1833 alettiin uskoa, että mineraaliöljyt voivat olla yhtä hyviä voiteluaineita kuin kas­

vi- ja eläinöljyt. Seuraavaksi käsitellään rasvojen nimityksiä, rakennetta, pilaantumista ja sen estoa sekä rasvojen tunnus­

lukuja. Kappaleen loppuosassa tutkitaan rasvojen ominaisuuk­

sia hydraulikäytön kannalta ja verrataan niitä työn alussa esitettyihin, hydraulikäytössä asetettaviin vaatimuksiin.

Kokeellisessa osassa on valittuja kolmea koeöljyä ja yhtä mineraalivertailuöljyä tutkittu rakennetussa koepenkissä.

Koetulosten perusteella arvioidaan kasviöljyjen käyttömah- do1lisuuksia hydrauline s teinä.

Työn loppuosassa on käsitelty kasvi- ja eläinöljyjen käyttö­

mahdollisuuksia hydrauliikassa, verrataan hintoja mineraali- öljyjen hintoihin ja selvitetään, paljonko kotimaista rapsi- ja rypsiöljyä on käytettävissä.

Kasvi- ja eläinoljyjä elastohydrodynaamisen voiteluteorian (EHD) kannalta käsitellään vertailemalla niitä ja mineraali- hydrauliöljyä samassa voitelutilanteessa.

Polykloorattujen "bifenyylien (PCB) ominaisuuksia, vaikutuk­

sia ja korvaamista kasvi- tai eläinöljyillä käsitellään omassa kappaleessaan.

Yhteenvedossa selvitetään tehtyjä tutkimuksia ja saatuja tu­

loksia sekä esitetään jatkotutkimusmahdollisuuksia.

1. HYDRAULINESTEILLE ASETETTAVIA VAATIMUKSIA 1.1 Nesteen tehtävät

Hydraulineste on aine, jota ilman hydraulijärjestelmä ei voi toimia. Se on tehoa siirtävä, kuormitusta kantava ja liikkuvia osia voiteleva kone-elin. Hydraulinesteen teh­

tävät ovat:

- paineen siirtäminen

- järjestelmän tiivistäminen vuodoilta

- liikkuvien osien voitelu ja kulumisenesto - jäähdytys ja lämmön haihdutus

- epäpuhtauksien huuhteleminen - ruosteen ja syöpymisen estäminen

Näiden tehtävien täyttämistä vaikeuttavat ympäristöolosuh­

teet ja nesteessä tapahtuvat muutokset.

Ideaalista hydraulinestettä ei ole olemassa, joten ei voi­

da yksiselitteisesti määritellä, mikä tai mitä on hyvä hyd­

raulineste. Käytettävä hydraulijärjestelmä asettaa aina nes teelle omat vaatimuksensa. Yhdessä järjestelmässä ylivoima!

nen neste voi toisessa olla täysin käyttökelvoton.

Teoreettisia tarkasteluja varten on kehitetty erilaisia hydraulinesteen matemaattisia malleja. Näiltä "teoreetti­

silta" nesteiltä kuitenkin puuttuu eräitä tärkeitä ominai­

suuksia, kuten mm. pintajännitys, höyrystyrnispaine, kyky vastustaa muodonmuutoksia jne., joilla on merkitystä käytän nössä. Todellisilla hydraulinesteillä on ominaisuuksia, jot ka ovat hydrauliikan kannalta joko parempia tai huonompia kuin ideaalinesteen.

Seuraavassa esityksessä, joka on koottu pääasiassa lähteis­

tä /1, 2,3, 4, 5, 6, 8, 21, 22/, käsitellään nesteiltä vaa dittavia ominaisuuksia, eri tekijöiden vaikutusta niihin, ominaisxmksien mittaamista ja eräitä järjestelmän suunnit­

teluun liittyviä seikkoja.

Haluttaessa jossain suhteessa hyvää hydraulinestettä joudu­

taan yleensä valitsemaan sellainen, joka muissa suhteissa voi olla hyvinkin huonoa.

Hydraulinesteitä valittaessa tarkastellaan yleensä seuraavia ominaisuuksia:

- voiteluominaisuudet ja kulumisenestokyky

- ominaisuuksien säilyminen käytön ja varastoin­

nin aikana - viskositeetti - kylmäominaisuudet

- yhteensopivuus muiden materiaalien kanssa - lämmönsiirto-ominaisuudet

- hulkmoduli (kokoonpuristuvuus) , - haihtuvuus

- vaahtoaminen ja ilman liukeneminen nesteeseen - lämpölaajeneminen

- demulsio-ominaisuudet (vedenerotuskyky) - ruosteenestokyky

- palamattomuus

■ 1 - tiheys

- myrkyllisyys - haju

- väri

- eristysominaisuudet - saatavuus

i

- säteilyn vaikutus - käyttöikä ja hinta

Kaikkiin näihin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa lisäaineilla.

Eräissä nykyaikaisissa hydrauliöljyissä perusöljyn tehtävänä onkin vain sitoa lisäaineet toisiinsa.

1,2 Voiteluominaisuudet ja kulumisenesto

Hydraulinesteen voiteluominaisuuksien tulee olla hyvät, jotta kitka ei olisi liian suuri, ja jotta riittävän paksu voitelu- kalvo säilyisi voideltavien pintojen välissä estämässä kulu­

mista ja kiinnileikkaantumista.

Hydraulijärjestelmissä on paljon osia, jotka toimivat lähellä toisiaan, liukuvat tai vierivät toisiinsa nähden. Tällaisissa olosuhteissa vaaditaan hydraulinesteeltä voiteluominaisuuksia.

Mm. pumpuissa on liukulaakereita, jotka vaativat hyvän voite­

lun.

Voitelun tarve riippuu hydraulijärjestelmän komponenttien rakenteesta. Painetta lisättäessä kasvavat voitelulle ase­

tettavat vaatimukset.

Vaikka hydrauliikassa yleensä toimitaan hydrodynaamisen voite­

lun alueella, syntyy etenkin käynnistettäessä ja pysäytettä­

essä järjestelmää sekä iskumaisissa kuormituksissa tilanteita, jolloin tullaan rajavoitelun alueelle ainakin eräiden järjes­

telmään kuuluvien osien kohdalla /1, 3/.

Kulumisenesto-ominaisuudet ovat eräät tärkeimmistä valittaessa hydraulinestettä. Kulumisen seurauksena välykset kasvavat ja syntyy vuotoa, joka on haitallista etenkin servojärjestelmissä.

Lisäksi vuodot heikentävät järjestelmän hyötysuhdetta. Levi­

tessään nesteen mukana eri puolille järjestelmää voivat kulu- mistuotteet aiheuttaa lisää haittavaikutuksia.

Kulumisen syynä on yleensä epäpuhtauksien kuluttava vaikutus tai öljykalvon rikkoontuminen suurten rasitusten johdosta, jolloin syntyy metalli/metalli-kosketus. Tällaista kulumista voidaan vähentää huomattavasti välttämällä yli- ja iskukuor- mitusta.

Kulumista auheuttavat nryös nesteen joukossa olevat epäpuhtaudet tavallinen pöly sisältää mm. kvartseja, jotka ovat erittäin kuluttavia /2/. Tätä kulumista voidaan vähentää käyttämällä säiliön huohotinputkessa suodattimia. Järjestelmää täytettä­

essä on käytettävä asiallisia suodattimia ja siivilöitä.

Koska epäpuhtauksia syntyy myös itse järjestelmässä, täytyy nesteelle järjestää jatkuva suodatus.

Kulumiseen liittyvät myös erilaiset syöpymisilmiöt, joita esiintyy silloin tällöin hydrauliikassa. Nopea suihku esi­

merkiksi venttiilissä voi venttiilinvarteen osuessaan syö­

vyttää tätä /2/. Nesteessä olevat epäpuhtaudet lisäävät syö­

vyttävää vaikutusta. Syöpymistä voidaan vähentää osien pa­

remmalla muotoilulla.

Käyttämällä kulumisenestoaineita sisältäviä hydraulinestei- tä vähenee kuluminen huomattavasti ja on mahdollista käyt­

tää pienempiviskositeettisia nesteitä, jolloin vastaavasti järjestelmän hyötysuhde paranee. Lähteen /3/ mukaan kulumi- senestoaineet vähentävät penkkikokeissa kulumista jopa 96 Lähde /4/ esittää seuraavat koetulokset: Rasittavassa pump- pukokeessa koepenkissä tutkittiin kolmea erilaatuista mi­

neraaliöljyä, joista ensimmäinen oli tavallinen hydrauliöljy ilman kulumisenestoaineita, toinen Heavy Duty-hydrauliöljy ja kolmas Premium Motor Oil. Koepumppuna oli Vickers V-214-5 siipipumppu, paine 140 bar, pumpun kierrosluku 3000 1/min ja öljyn lämpötila imuaukossa 82 °C.

Tavalli­

nen hydr.

öljy

01jynlaatu Heavy Duty-.

öljy

Premium"

Motor Oil

Viskositeetti 38 °C cSt 33 34 37.5

Viskositeetti

koelämpötilassa cSt 8 8 8.6

Kokeen kestoaika h alle 1 20 20

Pumpun osien paino-

häviöt g 1.65 0.001 0.001

Kokeen kestoaika oli määritelty niin, että kahdenkymmenen tunnin kuluttua kokeen alusta parhaan öljyn yhteydessä esiin­

tyvä painohäviö oli korkeintaan 0.001 g

1_.3 Ominaisuuksien säilyminen käytön л a varastoinnin aikana Hydraulinesteen ominaisuudet saavat muuttua vain erittäin vähän,jos sitäkään käytön ja varastoinnin aikana. Ominai­

suuksien säilyminen on eräs tärkeimmistä kriteereistä nes­

tettä valittaessa.

Yleensä nesteessä tapahtuvat muutokset johtuvat seuraavista kahdesta syystä:•

- ympäristön nesteeseen aiheuttamat vaikutukset - käytön nesteeseen aiheuttamat muutokset

Edellisiä ovat mm. hapen vaikutus nesteeseen eli hapettumi- nen, joka koskee kaikkia ilman kanssa tekemisissä olevia järjestelmiä. Myös lämmön, veden ja säteilyn vaikutukset kuuluvat ensimmäiseen ryhmään.

Käytön aiheuttama ominaisuuden muuttuminen on esimerkiksi viskositeetin lasku.

Mikään hydraulineste ei ole ehdottoman stabiilia kaikissa olosuhteissa. Hapettumisen vaikutuksia voidaan vähentää suun­

nittelemalla järjestelmä sellaiseksi, että neste joutuu mah­

dollisimman vähän tekemisiin ilman kanssa. Veden vaikutuksia voidaan vastaavasti vähentää estämällä veden pääsy järjestel­

mään ,

Öljyn hapettuessa se muuttuu paksummaksi eli viskositeetti kasvaa, ilman ja veden erottuminen öljystä vaikeutuu, eikä öljy enää anna hyvää korroosionsaojaa. Eräät epäpuhtaudet saattavat toimia katalysaattoreina eli hapettumisreaktioita edistävinä aineina. Hapettumista tapahtuu kaikissa lämpöti­

loissa, korkea lämpötila lisää hapettumisriskiä. Käytännön

"nyrkkisääntönä" on: 70 °C yläpuolella mineraaliöljyn ikä lyhenee puolella jokaista 10 °C nousua kohti /3/.

Hapettumisen suhteen stabiili neste on sellainen, joka ei tule hapettumisen takia käyttökelvottomaksi riittävän pjit—

kana aikana.

Hapettumista voidaan hidastaa muttei kokonaan estää käyttä­

mällä lisäaineita. Useimmiten nämä suojaavat nestettä sito­

malla itseensä hapen, joka muuten hapettaisi nesteen. Kun lisäaineet ovat kuluneet koppuun, jatkuu hapettuminen yhtä nopeasti kuiiï seos tamat tornissa nesteissä /5/.

Koska monet stabiliteettiominaisuudet ovat luonteeltaan kemiallisia, on syytä muistaa että kemialliset reaktionopeu­

det yleensä kaksinkertaistuvat lämpötilan noustessa 10 °C.

Niinpä lämpötilan merkitys hydraulinesteen kestävyydelle on erittäin suuri.

Nesteen pitäisi pysyä homogeenisena käyttöolosuhteissa. Nes­

teeseen liukenemattomien aineiden ja sakkojen muodostuminen järjestelmään voi aiheuttaa sen täydellisen toimimattomuu­

den. Tällaisten sakkojen muodostuminen voi johtua monista seikoista. Hapettuminen, joka on eräs tärkeimpiä tällaisten haittatekijöiden muodostumisen syitä, voi ilmetä järjestel­

mää ruostuttavana tai isomolekyylisten polymeerien tai kiin­

teiden partikkelien syntymisenä. Nämä muodostavat usein sak- kakerrostumia- tai leviävät nesteen mukana ympäri järjestelmää.

Myös hydraulinesteen huono lämmönkestävyys tai veden liukene­

minen järjestelmään voivat muodostaa liukenemattomia sakkoja.

Toisaalta nesteestä voi erottua kiinteitä partikkeleita kun sen ominaisuudet muuttuvat. Lisäaine voi kuluessaan muuttaa myös perusöljyn ominaisuuksia.

Yhteenvetona ominaisuuksien muuttumisesta voidaan sanoa, että on syytä seurata niiden ominaisuuksien muuttumista, joilla on merkitystä juuri kyseisessä järjestelmässä.

1.4 Viskositeetti

Hydrauliikassa viskositeetin merkitys on suux'empi kuin minkään muun fysikaalisen ominaisuuden /6/. Viskositeetti on nesteen sisäinen kitka,joka muuttuu lämpötilan ja pai­

neen funktiona. Sen aiheuttaa molekyylien välinen kitka niiden liikkuessa toisiinsa nähden.

nassa ilmenevät pumpun liukumisena eli luistohäviönä, kavi- taationa, neste- ja mekaanisena kitkana ja vuotoina.

Liian suuresta viskositeetista on seurauksena suurempi sisäi­

nen kitka nesteessä,jolloin virtausvastukset pumpuissa ja venttiileissä kasvavat, nesteen lämpötilan noustessa hyöty­

suhde laskee ja järjestelmän toiminta voi häiriintyä.

Liian pienestä viskositeetista ovat seurauksena:

- pumpun luisto lisääntyy,jolloin teho laskee - sisäiset ja ulkoiset vuodot kasvavat, jolloin

öljyn lämpötila nousee: 100 harin paineputouksen seurauksena öljy tulee vuotokohdasta ulos n. 7 °C kuumempana /5/.

- osien kuluminen lisääntyy, koska neste ei enää kykene muodostamaan kestävää voitelukalvoa voi­

deltavien pintojen väliin.-

- vuotojen' seurauksena hydraulijärjestelmille omi­

nainen ohjauksen tarkkuus menetetään.

Useimmilla orgaanisilla nesteillä, esim. seostamattornilla mineraaliöljyillä, viskositeetin riippuvuus lämpötilasta noudattaa likimain Waltherin empiiristä'kaavaa /l/:

log log (V + к) = A log T + B (1) jossa A ja B ovat nesteestä riippuvia vakioita ja T absoluut­

tinen lämpötila. V on viskositeetti centistokeina ja k kokeel­

linen, kerroin, jonka arvo on 0.6 kun viskositeetti on suurempi kuin 1.5 cSt. Viskositeetin riippuvuus lämpötilasta esitetään yleensä koordinaatistossa,jossa vaaka-akselilla on asteikkona log T ja pystyakselilla log log ( V+ k). Kaikilla nesteillä viskositeetti suurenee lämpötilan pienetessä erittäin voimak­

kaasti, varsinkin pienissä lämpötiloissa.

Yleisin viskositeettiyksikkö on centistоке (cSt), joka on

О

sadasosa yksiköstä Stoke,joka puolestaan on cm' /s. Sl-yk- sikkö on m^/s. Muita yksiköitä ovat SUS (Saybolt Universal Seconds), Engler asteet ja Redwood-sekunnit. Muunnostaulukot löytyvät mm. (lähteistä /5, 10/.

Viskositeetin muuttumista lämpötilan muuttuessa kuvataan viskositeetti-indeksillä VI. Mitä enemmän viskositeetti muut­

tuu lämpötilan muuttuessa, sitä pienempi on VI. Yleensä pyri­

tään siihen,että viskositeetin riippuvuus lämpötilasta olisi mahdollisimman vähäistä eli VI olisi mahdollisimman suuri.

Viskositeetti-indeksiä määriteltäessä tutkittavaa nestettä verrataan kahteen tunnettuun nesteeseen, joiden VI tunnetaan.

Edellisen VI on 0 ja jälkimmäisen 100. Viskositeetti-indeksiä aikoinaan määriteltäessä valittiin О-arvoksi huonoin öljy eli siis öljy, jonka viskositeetti muuttui eniten lämpötilan muut­

tuessa. Parhaan arvon eli 100 sai öljy, jonka viskositeetti muuttui vähiten lämpötilan muuttuessa. Jos tutkittavan

nesteen VI on alle 100 yksikköä, käytetään lauseketta:

VI = 100 (2)

• - 10 -

VI = viskositeetti-indeksi

U = tutkittavan nesteen viskositeetti (cSt), T = 38 °C 1 = VI О-öljyn viskositeetti (cSt) kun T = 38 °C

H = VI 100-öljyn viskositeetti (cSt) kun T = 38 °C

Laskentapa ja taulukot L:n ja H:n arvoille on esitetty tar­

kemmin lähteessä /9/.

Jos VI on yli 100, ei lauseketta (2) voida käyttää, vaan käytetään lauseketta:

VIE =

10N^ - 1

0.0075 ⁺ 100 (3)

N saadaan lausekkeesta:

N = log H - Log U

log V (4)

V - tutkittavan nesteen viskositeetti (cSt) kun T = 98 °C

Kuvassa 1.1 on esitetty yleisesti käytetty viskositeetti- lämpötilakuvaaja,johon on lisäksi piirretty kolmea eri vis­

kositeetti-indeksiä edustavien öljyjen kuvaajat.

-11-

ю m o o o

•H O

Kuva 1.1, Viskositeetti-lämpötilakuvaaja ja visko­

siteetti-indeksin havainn o11is tamin en

lämpötila

Lähteet /1 ja 5/ suhtautuvat varauksellisesti viskositeetti- indeksiin. Edellinen esittää neljä vakavaa huomautusta:

1 : VI perustuu mielivaltaisesti valittuihin vertailuaineisiin

ц

2: VI ei ole additiivinen suure

3: lausekkeella (2) laskettaessa voi kahdelle eri­

laiselle nesteelle tulla sama VI, vaikka nii­

den v -T kuvaajat ovat erilaiset.

4: VI antaa poikkeavia tuloksia kun viskositeetti on alle 8 cSt lämpötilan ollessa korkea.

Lähteen /5/ mukaan kvantitatiivisen vertailun suorittami­

seksi ei riitä pelkkä VI,vaan olisi tunnettava koko V, T - käyrä.

Puutteistaan huolimatta viskositeetti-indeksi on kaikkialla yleisesti käytetty öljyjen arviointiperuste.

Viskositeetti voi muuttua sekä pysyvästi että tilapäisesti.

Pysyvän viskositeetin laskun voi aiheuttaa esim. perusöl- jyyn tai käytettyyn lisäaineeseen kohdistuva mekaaninen ra­

situs, tilapäisesti viskositeetti voi laskea kovassa rasitus tilanteessa palautuen rasituksen poistuttua entiselleen.

Viskositeetin valinta

Pumppu on järjestelmän tärkein osa, joten viskositeetin va­

linta suoritetaan sen asettamien vaatimusten pohjalta. Visko siteettia valittaessa on syytä määritellä seuraavat kolme viskositееttiarvoa:

1 : pienin mahdollinen viskositeetti 2: suurin mahdollinen viskositeetti 3: optimiviskositeetti

1 : pienin mahdollinen viskositeetti

Kaikille pumpputyypei11e on olemassa jokin pienin viskosi teetti,jolla pumppu vielä toimii tyydyttävästi. Tämä arvo on suurin seuraavasta kolmesta:

Viskositeetti(cSt)

a: Pienin hyväksyttävä viskositeetti laakerien voite­

lussa.

Liukulaakereilla pienin viskositeetti määräytyy,

•välysten ollessa oikeat, lähinnä akselien kehänopeuk- sien perusteella. Tällöin on otettava huomioon käyt­

tölämpötila koska viskositeetti riippuu suuresti lämpötilasta. Liukulaakerien tarvitsemaa viskositeet­

tia määritettäessä voidaan käyttää kokemusperäistä . kuvaa 1.2 joka tosin hydraulilcäytössä antaa liian suu­

ria arvoja. Viskositeetti-paine kuvaajan avulla voidaan kuvasta 1.2 saatu käyttöpaineessa tarvittava viskosi­

teetti redusoida normaalia ilmanpainetta vastaavaksi viskositeetiksi,joka on pienempi.

Vierintälaakerien pienin sallittu viskositeetti käyttö­

lämpötilassa on n. 12 cSt. Tämän ilmoittavat alarajaksi sekä Shell /2/ että SKP /?/.

Kuva 1.2. Liukulaakerien visko sit e e 11ivaatimukse t käyttölämpötilassa /2/

b: Muiden osien kuluminen. Pienin viskositeetti, joka estäisi metalli-metalli kosketuksen, on vaikea mää­

ritellä,, Penske ja Klaus /2/ ovat kokeissaan pääty­

neet huomattavaan kulumisen vähenemiseen, kun visko­

siteetti on ylittänyt 26 cSt, jota arvoa voidaan pitää ohjearvona. Nykyaikaisissa hydraulinesteissä on kuitenkin lisäaineita, jotka estävät kulumista, niin että voidaan mennä jopa arvoon 12...13 cSt . käyttölämpötilassa.

Mäntäpumpuissa voidaan voitelussa käyttää jopa vis­

kositeettia 8 cSt.

Hammaspyöräpumppujen hammaspyörien voitelu ei yleen­

sä tuota vaikeuksia, joten laakerit ja tiivisteet määräävät pienimmän sallitun viskositeetin.

c; Tiivisteiden kannalta pienin arvo löydetään kokei­

lemalla. Pienin viskositeetti riippuu suuresti pum­

pun alkuperäisistä välyksistä sekä kulumisen aiheut­

tamasta välyksien kasvusta

Lähteen /6/ mukaan hydraulinesteen viskositeetti ei missään olosuhteissa saa laskea alle 10 cSt:n, lähde /4/ antaa pie­

nimmäksi sallituksi viskositeetiksi käyttölämpötilassa 6 cSt.

Käytäntö on osoittanut,että laakerien vaatima ja kulumisen estoon tarvittava viskositeetti on useimmissa tapauksissa ratkaiseva pienintä viskositeettia etsittäessä.

2: suurin mahdollinen viskositeetti

Suurimman viskositeetin rajoittaa pumpun imukyky, johon vaikut tavat järjestelmän poikkipintojen pinta-alat, pumpun rakenne ja toimintanopeus, jotka vaihtelevat suuresti eri pumpuissa.

Yleensä on parasta turvautua valmistajien antamiin suosituk­

siin.

Vickersin mukaan suurin sallittu viskositeetti käynnistettä­

essä saa siipipumpuilla olla 800 cSt ja mäntäpumpuilla 220 cSt Rexrothin pumpuilla vastaavat arvot ovat 800 cSt ja 500...

1000 cSt mäntäpumpuilla tyypeistä riippuen /12/.

Imuputken virtausvastukset voidaan myös laskea ja näin arvi­

oida suurin sallittu viskositeetti. Sijoittamalla säiliö pum­

pun yläpuolelle voidaan välttää jäykästä öljystä johtuvat imuvaikeudet*. Pumpun toimintanopeudella on huomattava vaiku- . tus viskositeettiin. Mitä hitaammin pumppua voidaan käyttää, sitä jäylcempi öljy voidaan valita. Tästä on etua kj^lmäkäyn- nistyksessä,jolloin öljy saadaan juoksevaksi varovaisella alkupyörityksellä.

Yleensä suuri viskositeetti ei ole niin rajoittava tekijä kuin pieni viskositeetti öljyä valittaessa.

3: optimiviskositeetti

Optimiviskositeettina pidetään tasapainoa mekaanisen hyö­

tysuhteen ja tilavuushyötysuhteen välillä edellyttäen, että laakerien voitelu ja kulumisenesto ovat kunnossa. Mekaaninen hyötysuhde kasvaa viskositeetin laskiessa, kun virtausvas­

tukset pienenevät. Toisaalta tilavuushyötysuhde laskee kos­

ka viskositeetin laskiessa vuodot kasvavat.

Parhaisiin tuloksiin päästään kokeilemalla ja noudattamal­

la valmistajien suosituksia. Käytäntö on osoittanut, että optimiviskositeetti on lähellä pienintä voitelun ja kulu- miseneston kannalta hyväksyttävää viskositeettia.

Hydraulinesteen normaali käyttölämpötila on 20...65 °C, ihanteellisen lämpötilan ollessa välillä 35...50 °C /3, 6/

Hydrauline s t e 11ä valittaessa on pyrittävä valitsemaan sel­

lainen, joka näissä lämpötiloissa viskositeettinsa puolesta sopii pumpulle.

Viskositeetin ihannealue on Vickersin mukaan kaikille pum­

puille 1?...50 cSt, sallittu mäntäpumpui11e 12...220 cSt ja siipi- ja hammaspyöräpumpuille 12...800 cSt /6/.

Järjestelmää käynnistettäessä on syytä odottaa,että nesteen lämpötila nousee käyttölämpötilaan (ja samalla oikeaan vis­

kositeettiin) ennenkuin järjestelmää käytetään täydellä teholla.

Paineen vaikutus viskositeettiin

Paine vaikuttaa viskositeettiin vähemmän kuin lämpötila.

Tavallisesti ”käytetyissä paineissa muutos on niin pieni, että. sillä ei ole merkitystä.

Paine-viskositeetti kuvaajalle on olemassa monia empiirisiä lausekkeita. Melko yleisesti käytetty, mutta vain keskisuu­

rien paineiden alueella-pätevä on /11/:

(5)

7p = abs. viskositeetti paineeseen p redusoituna 70 = ahs. viskositeetti normaalipaineessa

e = 2.718...

k = tutkittavasta öljystä ja käytetystä lämpöti­

lasta riippuva vakio p = paine

Mineraaliöljyillä on todettu seuraavat paine-viskositeetti vaikutukset:

- samalla paineen lisäyksellä on suurempi vaikutus suurissa paineissa kuin pienissä paineissa

- paine vaikuttaa enemmän suuriviskositeettisiin kuin pieniviskositeettisiin öljyihin

- paineen kasvu nostaa viskositeetti-indeksiä

Hydraulitekniikan laskuissa ei yleensä tarvitse tuntea pai­

ne-viskositeetti kuvaajaa. Paineen vaikutuksella viskosi­

teettiin on merkitystä ns. EHD-teoriassa.

1.5 Kylmäominaisuudet

Kylmäominaisuudet määrittelevät nesteen käytön ja varastoin­

nin kannalta alimman sallitun lämpötilan. Jos järjestelmä si­

jaitsee ulkona tai korkealla tai jos nestettä joudutaan va­

rastoimaan kylmissä olosuhteissa, on hydraulinesteen kylmä- ominaisuuksilla tärkeä merkitys.

Käytön kannalta on merkitystä jähmepisteellä ja viskositeetti- lämpö tilakuvaa jalla, jota käsiteltiin kohdassa 1.4. Jähmepiste on alin lämpötila, jossa neste on vielä juoksevaa, kun se jääh­

dytetään määrätyissä olosuhteissa. Yleensä määritys suoritetaan ASTM standardilla D 97.

Tunnettaessa öljyn viskositeetti-lämpötilakuvaaja, jähmepiste, pumpun suurin sallittu käynnistysviskositeetti ja alin käyn­

nisty slämpö tila, voidaan hydraulineste valita. Yleensä vali­

taan neste, jonka jähmepiste on 10...15 °C alle alimman käyn­

ni styslämpötilan.

Parhaiden mineraaliöljypohjäisten hydrauliöljyjen jähmepiste on luokkaa -65 °C /12/, joten näitä yleensä voidaan käyttää lähes kaikissa olosuhteissa. Korkean jähmepisteen omaavat Öljyt voivat kuitenkin tulla kyseeseen kylmissä olosuhteis­

sa, sillä jähmettymisen haittoja voidaan välttää mm. seuraa- villa tavoilla;

1 ; Nestesäiliötä voidaan lämmittää joko ulkoapäin tai sisältä uppokuumentimellä,jolloin neste ei koneen seisoessa pääsee jähmettymään. Mikäli neste saadaan pysymään juoksevana, voidaan järjestelmä varovasti käynnistää jonka jälkeen lämpötila nousee ja lisä- lämmitys voidaan lopettaa. Haittapuolena on mahdol­

linen hapettumisuopeuden kasvu mikäli paikalliset lämpötilat lämmittimen lähellä nousevat liian suu­

riksi.

2; Siperiassa on käytetty öljyn jatkuvaa kierrätystä.

/13/. Esimerkiksi hydraulisylinterien mäntiin on tehty ohivirtauskanavat,joiden kautta pieni virtaus pääsee lävitse. Virtauksen kasvaessa kanavat sulkeu­

tuvat . Haittana on rakennelman kalleus ja ohjaustark­

kuuden menetys.

Varastoinnin kannalta on tärkeää että neste ei njuuta omi­

naisuuksiaan kylmässä, aineosat eivät erkane toisistaan ja että kaikkien aineosien'jähmepiste on mahdollisimman lähellä toisiaan.

Mikäli erkanemista tapahtuu, tyydytään yleensä siihen, että neste palautuu ennalleen,kun sitä sekoitetaan alimmassa, käyttölämpötilassa.

1.6 Yhteensopivuus muiden materiaalien kanssa

■ Hydfaulinesteen yhteensopivuudella muiden materiaalien kanssa on merkitystä sekä järjestelmän suunnittelijalle että käyttä­

jälle. Hydraulijärjestelmä ei saa vaikuttaa nesteeseen eikä neste järjestelmään

Vaikutus voi ilmetä monella tavalla. Se voi näkyä korroosiona, kaasujen ja kiinteiden liukenemisena, pintojen ja tiivistei­

den pehmenemisenä jne. Erityisen selvästi vaikutukset näkyvät tiivisteissä,jotka voivat pehmetä, tulla joustavammiksi tai jopa hapertua,jolloin tiivistyskyky huononee. Tiivisteiden turvotusta tutkitaan SÄE standardeilla SAE J 1702 arktinen

ja SAE J 1703 /16/. Paisumisen ylärajana pidetään 5...6 %

/

/.

Öljyn turvottavat ominaisuudet riippuvat sen sisältämien aromaattisten hiilivetyjen määrästä, mitä vähemmän niitä on, sitä parempi /3/. Aromaattisuutta tutkitaan ns. ani- liinipisteen määrityksellä, yleensä edellytetään että se olisi yli 70 °C jotta neste ei vahingoittaisi tiivisteitä.

Nykyisin löytyy tiivistemateriaaleja lähes rajattomasti.

Kokeilemalla voidaan aina löytää tiiviste, johon neste ei vaikuta. Eräiden nesteiden käytöstä hydrauliikassa ei enää tarvitse luopua siksi, että ne eivät sovellu yhteen muiden materiaalien kanssa.

Siirryttäessä hydraulinesteestä toiseen on'syytä tutkia uuden nesteen sopivuus järjestelmään,koska nykyisin on monenlaisia öljyjä, sekä mineraalipohjaisia että täysin synteettisiä, eikä aina ole etukäteen selvää,kuinka järjestelmä suhtautuu uuteen öljyyn, öljyjen keskinäinen sopivuus on tutkittava,jos jou­

dutaan lisäämään uudenlaista öljyä vanhaan.

Yhteensopivuus muiden materiaalien kanssa ulottuu järjestelmän ulkopuolelle, sen ympäristöön. Vuotanut neste ei saa vahingoit­

taa lähellä olevia maalattuja pintoja, sähköjohtoja tai mui­

ta materiaaleja.

1.7 Lämmönsiirto-ominaisuudet

Eräs hydraulin.esteen päätoiminnoista on lämmönsiirto jär­

jestelmän oáasta toiseen. Hydraulijärjestelmissä kaikki häviöt muuttuvat lämmöksi. Tärkeimmät lämmönlähteet ovat /8/:

- virtausvastukset putkissa, venttiileissä ym.

- pumppujen ja venttiilien sisäiset vuodot - - varoventtillit ja kuristukset

- servoventtiilit

Koska hydraulisen järjestelmän kokonaishyötysuhde on vain n. 0.5...0.85, on kysymys huomattavasta lämmönmuodostuksesta

joka täytyy siirtää pois järjestelmästä. Nesteen avulla lämpö siirretään joko suoraan säiliöön, josta se edelleen siirtyy ympäristöön säteilemällä tai konvektiolla. Vaihtoehtoisesti neste voidaan ohjata jäähdyttimen kautta säiliöön. Sätei-

o

1emällä siirtyy lämpöä n. 4.5 W/m K ja konvektiolla tuu- П

letinta käytettäessä 20...25 W/m K ja ilman tuuletinta 6.. .7 W/m^ K /8/. Vesiputkikierukan lämmönsiirtyrni skertoi- men ohjearvona voidaan käyttää 100 W/m2 K, jollei käytettä­

vissä ole valmistajan ohje tauluko i ta.. Säiliön muotoilulla voidaan suuresti vaikuttaa jäähdytykseen.

Hyvällä hydraulinesteellä on hyvä lämmönjohtavuus ja suuri ominaislämpö. Mikäli tarkempia arvoja ei ole käytettävissä, voidaan mineraaliöljyillä käyttää lämmönjohtokyvyn lasken­

ta-arvona 0.155 W/Km /5/. Ominaislämpö on yleensä 1.7...

2.5 kJ/kg K /8, 5/.

1 .8 Bulkmoduli

Bulkmoduli on nesteen kokoonpuristuvuuden mitta. Mitä suu­

rempi on "bulkmoduli, sitä vähemmän puristuu neste kokoon paineenalaisena ja sopii tällöin paremmin käytettäväksi hydrau1inesteenä. Bulkmodulilla on merkitystä korkeissa pai ne is sa ja servojärjestelmissä, joissa nesteen kolcoonpuristu vuus ja joustavuus vaikuttavat ohjauksen tarkkuuteen.

Kokoonpuristuvuus määritellään seuraavasti /1 /:

G

1 av

V0 dp (6)

C = kokoonpuristuvuus

V = nesteen alkuperäinen tilavuus o

dV/dp = tilavuudenmuutoksen suhde paineennuutokseen Bulkmoduli tarkoittaa kokoonpuristuvu uden käänteisarvoa eli kykyä estää kokoonpuristuvuutta. Kaavana tämä on:

В = 1/C (7)

В = bullnnoduli

Bulkmodulilia on sama yksikkö kuin paineella.

Erilaisista bulkmoduleista voidaan erottaa sekantti, tan­

gentti ja söoniset bulknodulit, riippuen siitä kuinka ja

missä olosuhteissa määritys suoritetaan. Lisäksi voidaan erottaa isotermiset ja isentrooppiset bulknodulit. Erilaisia bulk-

moduleita on käsitelty lähteissä /1, 2, 44/

Hydrauliikassa yleensä kysymykseen tulevissa paineissa ei bulkmodulin muuttumisella ole merkitystä , joten voidaan käyttää taulukoista löytyvää keskimääräistä arvoa. Kokoon­

puristuvuus kasvaa lämpötilan kasvaessa, mineraaliöljyillä n. 1.5 kertaiseksi lämpötilan noustessa 100 °C /5/. Visko­

siteetti ei vaikuta paljoakaan kokoonpuristuvuuteen /2/, jäykkien öljyjen kokoonpuristuvuus .on vähäisempää kuin not­

keiden.

Hydraulijärjestelmän ominaistaajuus on verrannollinen

bulkmodulin neliöjuureen /1/. Suurempi bullcraoduli parantaa järjestelmän vastausominaisuuksia (response), lisää ohjaus- tarkkuutta ja vähentää elastisuuden aiheuttamia haittoja.

Kaikkein voimakkaimmin kokoonpuristuvuuteen vaikuttaa .järjestelmässä oleva vapaa ilma,jota käsitellään vaahtoa­

ni! sen yhteydessä kappaleessa 1.10. •

Käyttöolosuhteissa bulkmodulin arvo mineraaliöljyillä vaihtelee välillä 1.5...2.0 10^ N/m^ /5/.

Kuvassa 1.5 on esitetty Shell Tellus öljyn bulkmodulin riippuvuus paineesta lämpötilassa 38 °C (100 °F). Ylin käyrä esittää isentrooppista bulkmodulia Bg = -V0(dp/dV)g,

jota voidaan käyttää paineiskujen ja nopeiden paineenvaih- teluiden alaisten järjestelmien laskuissa. Keskimmäinen käyrä on isoterminen bulkmoduli = -V^dp/dV)^, joka sopii hitaille järjestelmille joissa lämpötila pysyy vakiona.

Alin käyrä esittää kokoonpuristuvuutta.

. 0.5

1000

Paine (bar)

Kuva 1.3. Mineraaliöljyn bulkmoduli ja kokoonpuristuvuus vakiolämpötilassa /2/

Kuvassa 1.4 on esitetty vastaavat bulkraodulit ja kokoonpu­

ristuvuus lämpötilan funktiona paineessa 350 bar.

Kokoonpuristuvuustil

РЭ 1.0

Lämpötila (°С) Ж

гН

•Н

-Р

Kuva 1.4. Mineraaliöljyn bulkmoduli ja kokoonpuristuvuus vakiopaineessa lämpötilan funktiona /2/

1.9 Haihtuvuus

Käytön kannalta on toivottavaa,että neste on huonosti haihtuvaa eli että sillä on pieni höyrystyrnispaine tai korkea kiehumispiste.

Àlipaineinen neste imu putkessa, tai korkealla sijaitsevassa järjestelmässä (lentokone) pyrkii höyrystymään,jolloin muodostuu kaasukuplia. Mikäli nämä kuplat joutuvat pump­

puun, syntyy kävitaatiovaurioita,kun voitelukalvo pettää kuplien lähellä. Kuplia muodostuu sitä helpommin mitä suu-

Kokoonpuristuvuus

rempi höyrystyrnispaine on, toisaalta höyrystyrniSpaine on lämpötilan funktio niin,että lämpötilan kasvaessa höyrys­

tyin! spaine kasvaa. Niinpä nestettä valittaessa olisi hyvä tietää höyrystyrnispaine käyttölämpötilassa ja suorittaa eri nesteiden vertailu tältä pohjalta, jos haihtuvuudella katsotaan olevan ratkaisevaa merkitystä.

Lähde /5/ antaa mineraaliöljyjen höyrystymispaineeksi 50 °C lämpötilassa 0.13 N/m^.

Höyrystymispaineeseen liittyy läheisesti käsite leimahdus- piste, joka tarkoittaa sitä lämpötilaa,jossa nesteen pinnas­

ta nouseva höyry syttyy, kun siihen suunnataan määrätyissä olosuhteissa liekki. Tätä käsitellään tarkemmin kohdassa 1.14.

1.10 Yaahtoaminen ja ilman liukeneminen nesteeseen

Käsitteet vaalit o aminen ja ilman liukeneminen nesteeseen tarkoittavat likipitäen samaa asiaa. Edellisessä on ky­

symyksessä nesteen pinnalla esiintyvä ilmakuplien muodos­

tuminen, jälkimmäisessä ovat kuplat nesteen sissillä ja pienempiä. Vaahdossa ilmakuplia, erottavat vain ohuet nes- tekalvot, nesteeseen liuennut ilma muodostaa kemiallisia, molekyylien välisiä sidoksia,joiden välissä on suhteelli­

sen pal:su nestekerros /17/.

Yaahtoaminen on enemmän esteettinen kuin telminen haitta, jonka syyt voidaan jakaa sekä mekaanisiin, järjestelmän suunnittelussa tehtyihin virheisiin, että nesteestä it­

sestään johtuviin. Mekaanisia, vaahtoa muodostavia tekijöi­

tä ovat :

- nesteen paluuvirtaus säiliöön tapahtuu liian lä­

hellä pintaa tai jopa sen yläpuolella.

- säiliö on liian pieni tai vääränmuotoinen; vaahto ei ehdi hävitä ennenkuin neste joutuu uudelleen kiertoon.

- väärin suunnitelluissa komponenteissa syntyvät nopeat paineenlaskut vapauttavat nesteeseen aina liuennutta ilmaa,¡joka paineen uudelleen nopeasti noustessa ei ehdi liueta taivaisin vaan ¡jää kuplik­

si, ¡joka muodostaa vaahtoa, lisää liukenemisen yhteydessä

- imuaukko on liian lähellä nesteen pintaa,jolloin iimipyörre imee ilmaa nesteeseen

- imuputki ¡ja eräissä pumpuissa väärin suunniteltu imupuoli voi vuotaa ilmaa nesteeseen

- liikkuvat osat, kämmet ¡ja hammaspyörät sekoitta­

vat ilmaa ¡ja nestettä keskenään.

Neste itsessään muodostaa, ¡ja ylläpitää vaahtoa seuraavista syistä:

- nesteen viskositeetti on liian suuri,jolloin muodostuneet kuplat eivät tarpeeksi nopeasti ehdi nousta nesteen pinnalle,vaan joutuvat uu­

delleen pumppuun. Viskositeetin kasvaessa myös vaahtoa muodostuu enemmän,esim. jos järjestelmä

toimii alemmassa lämpötilassa kuin mihin se on suunniteltu.

- hapettuminen vaikuttaa vaahtoamiseen kahdella taval].a: nesteen hapettuessa sen viskositeetti kasvaa,jolloin vastaavasti vaahtoaminen lisään­

tyy. Toisaalta eräät hapettumistuotteet ja nestee­

seen joutunut lika voivat toimia vaahtoamista edistävinä katalyytteinä kerääntyen kuplien ilma/

neste rajapintaan sitoen samalla nestettä itseensä.

Muodostunut vaahto on erittäin pysyvää.

- eräiden pintavaahtoa.estävien aineiden on todettu olevan haitallisia,koska ne pienentävät ilmakup­

lia jotka näinollen hajoavat ja poistuvat nestees­

tä huonommin kuin isot /3/.

V aa.h t o am isiä voidaan vähentää järjestelmän oikealla suun­

ni telul la ja huollolla sekä valitsemalla nesteen viskosi­

teetti niin, että vaahto ehtii nousta pois nesteestä sinä aikana,kun se on säiliössä.

Vaahtoani sta tutkitaan yleensä ASÏM D 892:11a /19/, jossa määrätyissä olosuhteissa tutkittavan nesteen lävitse pu­

halletaan ilmaa ja mitataan syntyneen vaahdon määrä.

db

Ilman liukeneminen nesteeseen:

Nesteeseen liuennut ilmatilavuus vallitsevassa ilmanpai­

neessa on vakio ns. Henryn lain mukaan /2/. Mineraaliöljyil­

lä tämä pitää paikkansa laajalla lämpöalueella. 20 °C läm­

pötilassa tyypillinen liuennut ilmamäärä on 8... 10 % /5/.

Ilman ollessa todellisena liuoksena nesteessä ei se muuta nesteen ominaisuuksia. Jos paine laskee riittävän hitaasti, ehtii liuennut ilma poistua nesteestä, mutta jos paineen- lasku on nopea, häiriintyy tasapaino ja ilma erkanee kuplina

nesteen sisällä. Paineen nopeasti noustessa eivät ilmakup­

lat ehdi liueta takaisin nesteeseen,vaan ne puristuvat kokoon lähes adiabaattisesti. Lämpötila nousee samalla voimakkaasti, teoreettisesti jopa 700 °C, kun paine nousee

1...70 bar /5/. Kun ilmakuplat yhdessä öljyhöyryjen kanssa räjähtävät, syntyy ns. dieselilmiö,joka aiheuttaa materi­

aaleja kuluttavia iskuja, erocsiokulumista ja palamisvau­

rioita tiivisteissä /'5, 19/.

Dieselilmiön lisäksi aiheuttaa liuennut ilma muita haitta­

vaikutuksia:

- kokoonpuristuvuus ja tiheys muuttuvat, nesteen ja ilman liuoksen bulkmoduli on pienempi kuin pelkän nesteen, järjestelmäin ominaistaajuus muut­

tuu, ohjaustarkkuus heikkenee ja elastisuus kasvaa.

- syntyy tehohääviöitä kun ilma-neste seosta joudu­

taan puristamaan kokoon.

- tehohäviöt ilmenevät nesteen lämpötilan nousuna, jolloin hapettuminen nopeutuu.

Liuenneen ilman aiheuttamat haitat voidaan poistaa estämällä ilman pääsy järjestelmään samalla tavoin kuin on esitetty vaahtoanisen yhteydessä.

1.11 Lampölaa,i eneminen

Nesteen lampolaaienemiskertoimen tulisi olla mahdollisim­

man pieni,koska tilavuuden muutokset lämpötilan vaihdel­

lessa suljetuissa tiloissa aiheuttavat painetta tai tyh­

jiön, jotka laitteiston pysäyttämisen jälkeen voivat lii­

kuttaa esim. sylintereitä muodostaen näin yllättäviä vaaratilanteita.

Lampolaajenemiskerröin on kullekin aineelle ominainen suure, mineraaliöljyillä sen arvo on n. 0.001 1/К /5/.

Järjestelmää suunniteltaessa otetaan nesteen lämpölaaje­

neminen huomioon varaamalla sitä varten tilaa säiliössä.

Säiliötä ei koskaan täytetä aivan täyteen.

1.12 Demulsio-oininaisuudet

Demulgoituminen on emulgoitumisen vastakohta ja tarkoittaa nesteen vedenerotuskykyä.

Vettä hydraulijärjestelmään pääsee kondensoitumalla, huo­

llot inputken kautta suoraan ilmasta ja öl.jynlauhduttinessa olevan mahdollisen vesivuodon kautta. Vesi voi joko liueta nesteeseen tai muodostaa erillisen, helposti erottuvan ker­

roksen.

Liuennut vesi reagoi nesteen kanssa,jolloin syntyy korroo­

siota aiheuttavia reaktiotuloksia ja sakkoja. Vesi hydrau- linesteessä lisää haihtumista /1/. Nesteen joukossa olevat hapettumistuotteet ja metallioksidit aiheuttavat pysyvän vesiemulsion syntymisen /2/.

Nesteeseen liukenematon vesi erottuu yleensä heti omaksi kerrokselleen, ellei se joudu pumppuun, jossa se sekoittuu.

Näin muodostuu vaahtoa, joka kerää pölyä, likaa ja hiekkaa.

Tämä puolestaan vaikeuttaa järjestelmän toimintaa lisäämäl lä kitkaa, kulumista, hapettumista ja korroosiota.

Vesi ei aina ole haitallista hydraulinesteissä. Kohdassa 1.-14 käsitellään palamattomia nesteitä,joissa on jopa 95 % vettä.

Nesteen vanhetessa käytetyt demulsiolisäaineet kuluvat ja emulsio lisääntyy.

Moottoriöljyjen käyttöä hydrauliöljynä ei suositella, koska niiden demulsio-ominaisuudet ovat huonot. Nykyai­

kaisissa moottoreissa käytetään jakauttavia lisäaineita, jotka estävät demulsiota /2/. Moottoreissa kosteus pois­

tuu haihtumalla korkeammissa lämpötiloissa,joita hydrau­

liikassa ei esiinny.

1.13 Ruosteenesto

Ruostumisella tarkoitetaan yleensä ilman hapen ja veden vaikutuksesta tapahtuvaa raudan syöpymistä. Varsinainen korroosio on muiden metallien syöpymistä, jonka aiheuttavat

erilaiset hapot. Korroosio ei aiheuta hydrauliikassa lähes­

kään yhtä suurta vaaraa kuin esim. autonmoottoreissa, joissa muodostuu koko ajan syövyttäviä happoja.

Nesteessä oleva vesi joutuu aina tavalla tai toisella kos­

ketuksiin metallipintojen kanssa aiheuttaen tällöin ruos­

tumista. Ruoste voi toimia katalysaattorina hapettumiselle.

Nesteeseen liuenneena se hioo ja kuluttaa komponentteja kaikkialla,minne neste pääsee. Yhdessä hapettumistuottei­

den ja järjestelmässä olevien saastepartikkelien kanssa ruoste muodostaa sakkoja,jotka voivat pysäyttää koko jär­

jestelmän.

Ruostumista vastaan neste varustetaan yleensä ruosteen- estoaineilla, joiden toimintatapa on jokin seuraavista ' /20/:

ruosteenestoaineina käytettävät liuotettavat metallisaippuat absorboituvat raudan pinnalle estäen siten ruostumisen.

- emulgaattoreilla saadaan vesi ja öljy reagoimaan keskenään vettä öljyssä-emulsiona., jossa öljy ympäröi kokonaan vesitipat.

- polaariset yhdisteet suojaavat ruostumista vas­

taan tarttumalla metallin pintaan tukevammin kuin vesi. Tällöin raudan pinta peittyy suoje­

levalla, vettä hylkivällä kalvolla.

Ruostumista estävät aineet toimivat usein myös hapettumisen- estoaineina ja päinvastoin,joten niiden välille on vaikea tehdä eroa.

1.14 Palamattomuus

Palamattomuus ja korkea leimahdaspiste ovat eduksi hydrau- linesteelle, mutta ei ehdoton vaatimus. Ympäristötekijät yleensä aiheuttavat palamattomuusvaatimuksen, ei itse hyd- raulijärjestelmä. Avotuli, sähkölaitteiden kipinöinti, hit- sauslaitteet ja'staattinen sähkö voivat sytyttää järjestel­

mästä vuotaneen nesteen palamaan. Paineenalaisena vuotanut hydraulineste on yleensä sumumaista ja leviää laajalle aneel­

le, jopa 10...15 metriä vuotokohdasta. Sumumaisena aineiden syttyminen on herkempää kuin normaalissa olotilassa. Esimer­

kiksi lentokoneen hydraulijärjestelmä voi aiheuttaa suurem­

man vaaratekijän kuin monta tuhatta litraa sinänsä tulenarkaa lentobensiiniä,koska hydraulinestettä on koneessa joka puo­

lella, bensiiniä vain pienellä alueella.

Tavallisen mineraalipohjaisen hydravliöljyn tulenarkuus on johtanut synteettisten ja palamattomien öljyjen nopeaan kehitykseen. Palamattomat hydrauliöljyt voidaan jakaa vesi­

pitoisiin ja vedettömiin:

Vesipitoiset, palamattomat hydrauliöljyt:

- vesi-glykoliseos-. Vettä 55...60 % todellisena seoksena.

Suurin käyttölämpötila n. 65 °C, suuren glykolipi- toisnuden ansiosta voidaan käyttää jopa - 23°C läm­

pötilansa

- vettä-öljyssä emulsiossa on veden osuus 35...40 %.

Vesi on seoksessa pisaroina. Voidaan käyttää lämpö­

tiloissa -9... 70 °C. Suuremmissa lämpötiloissa vesi haihtuu ja viskositeetti nousee.

- öljyä vedessä emulsiossa on veden osuus jopa 95 % öljyn osuuden ollessa yleensä 5...15.%. Käyttö vä­

häistä mutta tulenkestävyys hyvä. Vesi on pisaroina seoksessa.

Vedettömiä seoksia ovat :

- fosfaattiesterit. Voidaan käyttää korkeammissa läm­

pötiloissa kuin edellämainittuja vesipitoisia nes­

teitä, jopa 140 °C. Pientä viskositeetti-indeksiä nostamaan käytetään yleensä viskositeetti-indeksin parantajia. Kulumis ene s t o-ominaisuud et ovat verrat­

tavissa tavanomaisiin mineraalinijyihin, hinta on 5...8 kertainen. Liuottavat useimpia maaleja, tiivis­

teitä ja letkuja.

- klooratut seokset ovat puhtaita tai keskenään sekoi­

tettuja aromaattisia yhdisteitä,joiden ominaispaino on n. 1.4...1.5. Sräiden seosten epäillään aiheutta­

vaa ihosairauksia.

- fosfaatti-klooriseokset ovat yleensä fosfaattiasterien ja kloorattujen seosten sekoituksia,joiden tarkoituk­

sena on pienentää kloorattujen seosten suurta ominais­

painoa.

- fosfaatti-kloori-mineraaliöljyseokset ovat fosfaatti- esterien, kloorattujen seosten ja mineraaliöljyjen muo­

dostamia nesteitä,joiden etuna on halvempi hinta kuin pelkästään kahden ensimmäisen seoksen.

- silikoninesteet ovat siteetti-indeksisiä j ainoastaan sotilas- j

täysin palamattomia, suuri visko- a kalliita nesteitä,joita käytetään a lentokonehydrauliikassa.

Palamattomia hydraulinesteitä ovat käsitelleet Jones /21/ ja Townsend & Baker /22/.

Palamis- ja 1eimahduspisteiden määrittämiseksi -on kehitetty

erilaisia koejärjestelyjä, jotka yleensä perustuvat johonkin seuraavista kolmesta menetelmästä:

- tutkittavaa nestettä kuumennetaan astiassa, avoimes­

sa tai suljetussapa se sytytetään joko " ulkopuolisel­

la liekillä tai annetaan syttyä itse. Näitä kokeita ovat mm ASTM D 92 (IP 36/67), ASTM D 2155-66, ASTM D 93.

- neste puhalletaan erilliseen liekkiin ja tutkitaan suihkun vaikutusta siihen tai etäisyyttä liekistä, jolla suihku syttyy. Edellinen on matalapainekoe,joka tehdään tavallisella maaliruiskulla, jälkimmäinen suur- ]Dainekoe, jossa tutkitaan syttvmisetäisyyttä. Kokeita ovat mm SAE AMS 3150 C (High pressure sprp.y ignition) ■ eri sovellutuksineen.

- nestettä kaadetaan kuumalle pinnalle ja tutkitaan sen syttymistä ja palamista. Heste ja tuli eivät joudu kosketuksiin keskenään.-Erittäin hyvin käytännössä esiintyviä tilanteita simuloiva koejärjestely.

Esim. SÄE AMS 3150 C, US Bureau of Mines Schedule 30, HOB Specification 570/1970.

1.15 Tiheys

Tiheys ei nestettä valittaessa ole mitenkään ratkaiseva tekijä, mutta sillä voidaan vaikuttaa seuraaviin järjestel­

män ominaisuuksiin:

- kevyt neste pienentää järjestelmän kokonaispainoa.

Merkitystä lentokonehydrauliikassa

- järjestelmän ominaistaajuus on verrannollinen liikkuvan massan neliöjuureen.

- nopeassa paineiskussa ovat paineen nousut verran­

nollisia tiheyden neliöjuureen, hitaassa taas suoraan verrannollisia /8/.

- suuri tiheys pienentää painetta pumpun imuaukossa

ja aiheuttaa kavitaatiota,jos pumppu sijaitsee säiliön öljynpinnan yläpuolella.

Hydrauliöljyjen tiheys on yleensä 800...900 kg/m''1, vaike­

asti palavien 850...1500 kg/пЛ /5, 8/.

1.16 Myrkyttömyys

Myrkyttömyys on tärkeä hydraulinesteen ominaisuus vaikka sillä ei ole merkitystä käytön kannalta. Myrkyllinen nes­

te voi vaikuttaa sitä käsitteleviin ja järjestelmää huol­

taviin henkilöihin.

Myrkyllisyyttä tutkitaan yleensä eläinkokeilla syöttämällä koe-eläimille ylisuuria annoksia tutkittavaa ainetta. Toi­

nen tapa on kokeilla vaikutuksia iholle tai hengityselimiin.

Kumulatiivisuuden selvittämiseksi vaaditaan pitkiä ja laajo­

ja kokeita. Haihtumistuotteita on syytä tutkia, koska niitä syntyy todellisissa käyttöolosuhteissa.

Neste ei saa saastuttaa luontoa. Kaikki mineraalipohjäiset öljyt saastuttavat luontoa, samoin synteettiset koska niis­

sä yleensä käytetään voimakkaita lisäaineita ominaisuuksia parantamaan. Tässä diplomityössä tutkitaan sellaisia mah­

dollisia hydraulinesteitä,jotka eivät saastuta luontoa.

1.17 Haju

Hajun olisi oltava mahdollisimman huomaamaton. Käytön kan­

nalta sillä ei ole merkitystä. Nesteen vanhetessa haju voi muuttua ja toimia siten vanhenemista indikoivana tekijänä.

1.18 Väri

Niin kauan kuin neste toimii hyvin, ei värillä ole merkitys­

tä. Värin pääasiallinen tarkoitus on.erottaa nesteet toisis­

taan sekä muista nesteistä, Brottuvuuden parantamiseksi nes­

teisiin lisätään väriaineita.

1 * 19 Eristysominaisuudet

Olisi suotavaa,että neste olisi mieluummin eriste kuin joh­

de. Useimmissa tapauksissa tällä ei ole merkitystä,mutta joskus neste voi joutua eristeenä kahden sähkökentän vä­

lillä. Tällöin on merkitystä nesteen läpilyöntilujuudella, ominaisvastuksella ja sähkönjohtavuudella. Näitä voidaan tutkia A5TM standardeilla D 117, D 924 ja D 1169.

1,20 Saatavuus

Saatavuudella on merkitystä,jos käytetään muita kuin ta­

vallisia, mineraaliöljypohjaisia hydrauliöljyjä. Palamat­

tomia ja synteettisiä öljyjä käytettäessä voi syntyä vai­

keuksia toimitusaikojen kanssa. Saatavuudella on merkitys­

tä myös,jos kulutus on suuri.

1.21 Säteilyn vaikutus

Radioaktiivinen säteily tai valo eivät saa vaikuttaa nes­

teen ominaisuuksiin. Tämä seikka tulee kysymykseen esim.

ydinvoimaloissa. Orgaaniset nesteet ja voiteluaineet ovat herkkiä radioaktiiviselle säteilylle /1/. Toisaalta pum­

pun kulumista voidaan tutkia säteilyttämällä sen osia ja seuraamalla säteilyn intensiteettiä esim. suodattimessa /24/.

Perusöljyllä on todettu olevan suuri vaikutus öljyn kestä­

vyyteen radioaktiivisessa säteilyssä. Huonon perusöljyn ominaisuuksia voidaan parantaa lisäaineilla.

2. HYDRAULIÖLJYTESTIT

2.1 Testityypit, merkitys

Hydraulinesteiden, kuten lähes kaikkien aineiden tutkimiseksi ja keskinäisen vertailun helpottamiseksi,on kehitetty erilai­

sia koejärjestelyjä, joilla voidaan tutkia joko jotain mää­

rättyä ominaisuutta erikseen/tai simuloida mahdollisimman pitkälle todellisia käyttötilanteita. Öljyille ja hydrauli- nesteille suoritettavat kokeet voidaan jakaa kolmentyyppi­

siin:

1) laboratoriokokeet 2) Penkkikokeet

3) Täysimittaiset kokeet

Seuraavassa käsitellään hieman näitä koetyyppejä, niiden mer­

kitystä käytännön kannalta ja esitellään lyhyesti muutama koelaite.

2.1.1 Laboratoriokokeet

Laboratoriokokeissa tutkitaan aineiden kemiallisia tai fysi­

kaalisia ominaisuuksia. Kokeet voidaan jakaa yleisiin, kai­

kille aineille tarkoitettuihin ja erikoisesti määrätyille aineille tarkoitettuihin.

Yleisiä kokeita ovat sellaiset, joita voidaan suorittaa aineelle kuin aineelle ja jotka eivät tarvitse tarkoin

määrättyä koelaitteistoa. Esim. tiheys, ominaislämpö, väri, haju, happolulcu, kiehumispiste jne. ovat ominaisuuksia, joi­

den määrittämiseen" löytyy lukemattomia menetelmiä, jotka an­

tavat saman tuloksen kaikissa laboratorioissa.

Määrätyille aineille tarkoitetuissa kokeissa tutkitaan jotain erikoisominaisuuksia, esim. öljyillä leimahduspistettä, vaah- toamiscminaisuuksia, ruosteenesto-ominaisuuksia jne.,joiden mittaamiseen on sovittu käytettäväksi juuri tähän tarkoituk­

seen suunniteltuja ja kaikkialla samanlaisia koelaitteita.

Mittaustulosten.yhteydessä on syytä mainita koelaitteisto, jolla kokeet on tehty.

■Kuvassa 2.1 on esitetty ASTM D 665:n mukainen koelaitteisto öljyjen ruosteenesto-ominaisuuksien tutkimiseksi /57/. Sekoi tin (stirrer) sekoittaa säiliössä olevaa veden ja öljyn se­

koitusta määrätyissä olosuhteissa. Ruostumista indikoivat koekappaleessa (test specimen) tapahtuneet muutokset.

12-7 DIA

6 DIA

(0-24) STIRRER

TEST SPECIMEN

70(2340 APPROX INSIDE DIA MIDWAY

THERMOMETER HOLE--

0-3 DIA PIN

All dimensions are in millimeters (inches).

FIG. 1 Rusting Test Apparatus.

Kuva 2.1. ASTM D 665:n mukainen laite öljyjen ruosteen- esto-ominaisuuksien tutkimiseksi /57/

Vaahtoamista tutkitaan kuvan 2.2 mukaisella laitteistolla puhaltamalla nesteen lävitse ilmaa määrätyissä olosuhteis­

sa /58/.

200 BATH All dimensions in millimeters.

HG. 3 Foaming Test Apparatus.

Kuva 2.2. ASTM D 892:n mukainen laite öljyjen vaah toamisen tutkimiseksi /58/

Laboratoriokokeiden suurin puute on niiden usein huono kor­

relaatio käytäntöön. Etuina ovat kokeiden nopeus ja halpuus, sen jälkeen kun koelaitteisto on hankittu. Tulokset ovat käyt­

tökelpoisia, jos niitä voidaan verrata laajempaan koemäärään.

Parhaiten laboratoriokokeet soveltuvat laaduntarkkailuun valmistusprosessin eri vaiheissa.

Ei ole olemassa mitään sellaista fysikaalista tai kemiallis- analyyttistä laboratoriomääritystä,joka varmasti ja selvästi osoittaisi etukäteen, kuinka öljy todella käyttäytyy todelli­

sessa käjrttötilanteessa /20/.

2.1.2 Penkkikokeet .

Penkkikokeis sa tutkittavat aineet asetetaan käyttöä vastaa­

viin, mutta kovennettuihin olosuhteisiin. Tavallista kor­

keampi lämpötila ja pintapaine ovat yleisiä keinoja.

Esim. voiteluominaisuuksia tutkitaan usein kuvan 2.5 mukai­

silla koelaitteilla, joissa kahta, yleensä metallista, pin­

taa liu'utetaan toisiaan vastaan. Voitelukykyä arvioidaan

tutkimalla syntyneiden kulumisjälkien suuruutta, osien pai nohäviöitä tai.kappaleissa vaikuttavia voimia.

FALEX AIHE N

THREE LOWER BAUS STATIONARY ROLLERS ROTATE AT

OFFERENT SPEEDS

FOUR-BALL

Bearing pairs of typical lubricant film strength test machines

Kuva 2.3. Koejärjestelyjä voiteluominaisuuksien tutkimiseksi /50/

Edellä esiteltyjä penkkikokeita käytetään öljyjen valikoin­

tiin. Mäissä kokeissa parhaiten menestyneet öljyt pääse­

vät edelleen jatkokokeisiin. Halvan hintansa ja nopeutensa ansioista penlckikolceet ovat suosittuja.

Osaa penkkikokeista kutsutaan ns. traditionaalisiksi eli joku joskus on keksinyt jonkun kokeen ja päättänyt sitten hankkia itselleen kuolemattomuuden nimeämänä kokeen itsensä mukaan.

Lääketieteessä erittäin yleinen ilmiö.

Traditionaalisista kokeista voidaan saada jotain irti,jos olosuhteet ja laitteet ovat aina samanlaiset. Pam sas koeai- neisto auttaa tilastollisessa mielessä,ja jos tuloksia voi­

daan esim. taulukoiden avulla tulkita, voivat nämä olla hy­

viäkin kokeita.

Kuvassa 2.3 esitellyt penkkikokeet ovat nopeita suorittaa, liitteissä 1 ja 2 on esitetty hydraulinesteiden kulumisen-

esto-ominaisuuksia tutkittaessa käytettäviä pumppukokeita, joista lyhyemmän koeaika on 100 tuntia ja pitemmän 1000 tun­

tia.

■ Penkkikokeet vastaavat paremmin todellisia olosuhteita kuin laboratoriokokeet,mutta näissäkin on todettu tapauksia joissa kahdesta yhtä hyvin menestyneestä öljystä on toinen ollut käyttökelvotonta /20/.

2,1.3 Täysimittaiset kokeet

Paras ja luotettavin tapa tutkia hydraulinesteitä on käyttää - niitä täysimittaisissa järjestelmissä tai ainakin sellaisissa,

joissa käytetään täysimittaisia komponentteja. Hydrauliikassa

■tyydytään toisinaan käyttämään vain muutamia, järjestelmän toiminnan kannalta tärkeimpiä komponentteja,joilla teetetään samoja toimintoja kuin ne tekevät todellisuudessakin.

Moottoriöljyä on jo kauan kokeiltu erityisillä koemoottoreil- la, joista on kuitenkin vaikea sanoa ovatko ne penkki- vai täysimittaisia kokeita,koska moottorit voivat olla täysin tavanomaisia sarjatuotteita mutta koe-ol. o suhteet ja -aika eivät vastaa käytännössä esiintyviä. Koemoottoreita ovat mm. Caterpillar L-1 ja L-5 sekä Petter AV-1 ja ¥-1 /20/.

Täysimittaisten kokeiden haittana on niiden kalleus, usein pitkä kestoaika ja loppujen lopuksi neste ehkä sopii vain koelaitteistolle.

Mikäli halutaan olla varmoja valitun hydraulinesteen sopi­

vuudesta, joudutaan se kokeilemaan juuri siinä järjestelmäs­

sä ja olosuhteissa johon se on tarkoitettu. Ja se tulee kal­

liiksi.

2.2 Standardisoimisjärjestöt

Menetelmiä öljyjen ja muiden hydraulinesteiden kokeilemi­

seksi ovat kehittäneet monet eri järjestöt ja tutkimuslai­

tokset. Kehitys on yleensä käynyt yleisistä öljykokeista

erikoistuotteille tehtäviin. Hydraulinesteille on toistai­

seksi suhteellisen vähän omia testejä tai standardeja.

Muille tuotteille tarkoitettuja kokeita voidaan kuitenkin usein soveltaa.

Hydraulinesteiden standardisoinnista ja öljykokeista kiin­

nostuneen kannattaa etsiä käsiinsä ainakin seuraavien järjestöjen standardikirjät :

- A S' T M (American Society for Testing and Materials)

- DIN (Deutsche Industrie Normen)

- ISO (International Standardiation Organisation) - MIL (US. Military Specification)

- SAE (Society of Automotive Engineers)

- CEC (Coordinating European Council for the Development of Performance Tests for Fuels and Lubricants)

- SFS (Suomen standardisoimisliitto) - SMR (Svenska Mekanisters Riksförening)

Erityisen paljon työtä öljyjen tutkimiseksi ja koemenetelmien kehittämiseksi on tehnyt ASTM. Sen hyväksymiä koemenetelmiä käyttävät hyväkseen lähes kaikki standardisoimisjärjestöt.

ASTM julkaisee vuosittain yli 30-osaisen kirjasarjan, johon on koottu kaikki sen standardit. Öljytuotteita varten on kaksi yli 1200-sivuista kirjaa.

Saksalaisen DIN-standardin sisällysluettelossa on sivu­

kaupalla öljytuotteisiin liittyviä standardeja, joukossa paljon myös hydrauliikkaan liittyviä. DIN-standardit ilmes­

tyvät samoin vuosittain.

ISO:11a on useampia komiteoita tutkimassa hydrauliikan stan­

dardisointia.

MIL on Yhdysvaltain armeijan standardis ointiorganis aatio, joka on määrittänyt sotilaskäytön asettamat vaatimukset hydraulinesteille. MI1-standardeis s a on useita hydrauli-

nesteluokkia eri käyttöolosuhteille.

SAE on keskittynyt autoalalle, mutta standardisoinut silti eräitä hydraulinesteisiin liittyviä koemenetelmiä ja vaa­

timuksia.

CEO on eurooppalainen keskusjärjestö, joka on vakioinut mm.

koemoottorin Petter AV-1 Euroopan vakiomoottoriksi.

CEC-toimintaan on Suomi liittynyt v. 1978, joten tulevai­

suudessa on odotettavissa tämän merkityksen kasvavan ai­

nakin jossain määrin erityisesti moottorien voitelututki- muksessa.

VTT käyttää öljyjä tutkiessaan lähinnä ASTM:n, DIN: n ja SÄE:n kehittämiä ja hyväksymiä menetelmiä.

3, ELÄIN- JA KASVIÖLJYT

3.1 Voiteluaineiden historiaa /5, 25, 20/

Hydraulinesteiden historia on voitelun historiaa, voitelun historia on kitkan historiaa.

Eläin- да kasvikunnan rasvat ja öljyt ovat veden jälkeen vanhimpia ihmisen käyttämiä voiteluaineita. Dowson /25/

epäilee näitä käytetyn jo n. v. 2500 e.Kr alkeellisissa ovensaranoissa estämässä kitinää. Noin vuodelta 2000 e.Kr on löydetty savenvalajan sorvin jäännöksiä,joista on jälji-

■ tetty bitumia. Raakaöljyähän on aikoinaan ollut vapaana

maan pinnalla. Lampaan tai härän rasvaa on löydetty n. vuodel ta 1400 e.Kr peräisin olevien vaunujen pyörien laakereista.

Egyptissä on n. vuoden 2400 e.Kr jälkeen käytetty pyramidien rakennustyömailla vettä voiteluaineena kiviä siirrettäessä.

Pienenä esimerkkinä voiteluaineasiantuntijoiden, tribolo- gien, statuksen kohoamisesta ovat kuvat 3.1 ja 3.2. Kuvassa 3.1 ensimmäinen tunnettu tribologi kaataa voiteluainetta Ti:n patsasta kannattavan kelkan alle n. v. 2400 e.Kr kulkien itse sen edellä.

fig. Ç__First recorded Iribologist-seen pouring lubricant in front of sledge in transport of Statue of Ti (c 2,400 P.C.). (After Stc-indorff,

1913.)

Kuva 3.1. Voitelua n.v. 2400 e.Kr Egyptissä /25/

Kuvassa 3.2 siirretään EL-Bersheh:issä, Egyptissä, Colossuk- sen patsasta n. v. 1880 e.Kr. Tribologi on päässyt kelkan kyytiin.

Kuva 3.2. Voitelua n.v. 1880 e.Kr Egyptissä /25/

Vielä keskiajalla käytettiin voiteluaineina pääasiassa vain kasvi- ja eläinkunnan tuotteita. Maaöljyä käytettiin lähinnä rakennus- ja saostusaineena sekä lääketieteessä ja sodankäyn­

nissä. Välimeren alueella oli suosituin oliiviöljy, pohjois- Euroopassa käytettiin eläinrasvoja. Rapsia ja unikkoa alet­

tiin viljellä niistä saatavan öljyn vuoksi noin kolmannel­

latoista vuosisadalla j.Kr.

Ensimmäisiä kitkan tutkijoita oli Leonardo da Vinci (1452- 1519). Kuita huomattavia olivat G-uillaume Amontons (1699) ja Charles Auguste de Coulomb (1785). Erityisesti voitelu­

aineisiin kohdistuvaa tutkimusta lisäsi V/attin 1700-luvulla keksimä höyrykone.

Vasta vuonna 1833,kun E. Petroff julkaisi viskositeettia koskevat tutkimuksensa,alettiin uskoa että mineraaliöljyt voivat olla yhtä hyviä voiteluaineita kuin kasviöljyt.

Vuoteen 1920 mennessä oli raffinointiin liittyvät vaikeu­

det onnistuttu voittamaan ja mineraaliöljyt korvasivat kasvi- ja eläinkunnan tuotteet voitelutekniikan kaikil­

la aloilla.

Kasvi- ja eläinkunnan tuottamat voiteluaineet hylättiin aikoinaan lähinnä seuraavista syistä:

- mineraaliöljyt olivat halvempia

- eläin- ja kasvirasvat hapettuvat paljon herkemmin kuin mineraaliöljyt

- mineraaliöljyjen viskositeetti valikoima oli paljon laajempi

Ensimmäinen on menettämässä merkitystään mineraaliöljyjen hintojen noustessa koko ajan. Toiseen ja kolmanteen voi­

daan vaikuttaa kehittämällä uusia lajikkeita. Hydrauli­

tekniikan kannalta todetaan myöhemmin,että eräiden kasvi- öljyjen viskositeetti vastaa hyvin öljyille asetettavia vaatimuksia.

Varsinaisen hydrauliteloniikan kehityksen voidaan katsoa alkavan 1700-luvulla rakennetuista puristimista, joissa hydraulinesteenä käytettiin vettä. 1846 rakensi W.G.

Armstrong hydraulisen nosturin.

1800-luvulla hydrauliikan kehitystä hidasti sähköteloi iikan yleinen käyttöönotto. 1905 käytettiin ensimmäisen kerran öljyä hydraulinesteenä. Tämän jälkeen kehitys on ollut no­

peaa ja hydrauliikka on levinnyt kaikkialle.

'

Alun tavallisten moottoriöljyjen käytön jälkeen on kehi­

tys johtanut ensin erikoisiin hydrauliöljyihin ja sitten palamattomiin, täysin synteettisiin öljyihin. Nykyaikaisis­

sa» lisäaineistetulssa hydrauliöljyissä mineraaliöljyn teh­

tävänä on lähinnä toimia lisäaineiden kiinnitysalustana.

Kasvi- ja eläinrasvojen käyttö voiteluaineina tällä vuosisadalla

Kasviöljyistä on yleisimmin käytetty voiteluaineena risii­

niöljyä. Ennen sotia risiiniöljyjä kehitettiin voitelemaan lentokoneiden raäntämoottoreita,koska silloiset mineraali- öljyt eivät kyenneet selviytymään tästä tyydyttävästi.