Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava

Fakulta strojní

Katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení

Sylabus předmětu

VLASTNOSTI TEKUTIN

Lukáš Dvořák

Ostrava 2010

2

Obsah

Předmluva ..............................................................................................................................31. Úvod...............................................................................................................................4

1.1 Rozdělení tekutin ..........................................................................................................42. Fyzikální vlastnosti pracovních kapalin hydraulických systémů ......................................5

2.1 Hustota kapalin a její měření.........................................................................................52.2 Viskozita kapalin, její závislost na teplotě a měření.......................................................72.3 Stlačitelnost kapalin ....................................................................................................172.4 Teplotní roztažnost .....................................................................................................212.5 Měrná tepelná kapacita ...............................................................................................222.6 Bod tuhnutí .................................................................................................................23

3. Chemické vlastnosti......................................................................................................233.1 Bod vzplanutí, hoření a samovznícení .........................................................................233.2 Oxidační stálost ..........................................................................................................253.3 Korozívní působení na kovy........................................................................................273.4 Vliv pracovních kapalin na elastomery........................................................................28

4. Provozní vlastnosti kapalin ...........................................................................................294.1 Mazací schopnost........................................................................................................294.2 Vliv vzduchu v kapalině.............................................................................................314.3 Vliv vody v pracovní kapalině ....................................................................................33

5. Vlastnosti nenewtonských kapalin ................................................................................345.1 Rozdělení nenewtonských kapalin ..............................................................................345.2 Reometrie a reologické modely...................................................................................39

6. Vlastnosti a parametry stlačeného vzduchu ...................................................................406.1 Kvalita vzduchu ..........................................................................................................406.2 Stav vzduchu – stavová rovnice ..................................................................................406.3 Tlak vzduchu ..............................................................................................................416.4 Teplota .......................................................................................................................426.5 Normální (normovaný) stav ........................................................................................426.6 Rovnice kontinuity, hmotnostní průtok, objemový průtok ...........................................426.7 Hustota .......................................................................................................................436.8 Viskozita ....................................................................................................................446.9 Vratné děje (stavové změny) .......................................................................................466.10 Nevratné děje ............................................................................................................486.11 Vlhkost vzduchu ......................................................................................................49

7. Hydraulické oleje..........................................................................................................497.1 Výroba základních olejů .............................................................................................497.2 Minerální oleje............................................................................................................51

8. Těžkozápalné kapaliny..................................................................................................539. Ekologické kapaliny a ekologické vlastnosti .................................................................58Literatura..............................................................................................................................62

3

Předmluva

Kapaliny a stlačený vzduch lze považovat za významné konstrukční prvky

tekutinových mechanismů. Znalost fyzikálních vlastností pracovních kapalin hydraulických

systémů a vlastností stlačeného vzduchu je nezbytná pro správný výpočet a bezchybný provoz

hydraulických, resp. pneumatických mechanismů. Rovněž je důležité mít přehled o

chemických a ekologických vlastnostech, protože ne všechny používané materiály jsou

s pracovními kapalinami kompatibilní a případné úniky kapalin mohou způsobit závažné

ekologické problémy. Cílem tohoto textu je seznámit studenty nejen s uvedenými vlastnostmi,

ale i s řadou dalších věcí a poukázat na rozdíly mezi vlastnostmi kapalin a plynů.

Tento sylabus je určen pro studenty 3. ročníku bakalářského studia oboru Hydraulické

a pneumatické stroje a zařízení, vyučovaném na FS VŠB-TU Ostrava, ale i jako doplňkový

text pro jiné obory FS.

Autor: Ing. Lukáš Dvořák, Ph.D.

Katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení, FS

Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava

Recenzoval: prof. Ing. Jaroslav Kopáček, CSc.

4

1. Úvod

1.1 Rozdělení tekutin

Tekutina je společný název pro kapaliny a vzdušiny. Obě tyto skupiny, resp.

skupenství, látek se vyznačují „tekutostí“, tedy tím, že nemají vlastní tvar. To je způsobeno

menšími mezimolekulárními silami a tekutiny tedy na rozdíl od pevných látek nevytvářejí

krystalickou mřížku (výjimku za jistých okolností tvoří plastické kapaliny).

Jak kapaliny tak i vzdušiny lze rozdělit na ideální (dokonalé) a skutečné. Ideální

kapalina je nestlačitelná bez vnitřního tření, ideální plyn je naopak dokonale stlačitelný a

rovněž bez vnitřního tření. Tyto pojmy a představa ideálních tekutin byly zavedeny pro snazší

odvození a pochopení základních fyzikálních zákonů. V tekutinových mechanismech však

pracujeme s tekutinami skutečnými, které se vyznačují vnitřním třením a větší či menší

stlačitelností.

V tekutinových mechanismech jsou tekutiny využívány především pro přenos energie,

v některých případech však i k přenosu informace a dále např. k mazání vzájemně se

pohybujících částí. Na obr. 1.1 je uvedeno rozdělení tekutin.

obr. 1.1 Základní rozdělení tekutin

Kapaliny se vyznačují tím, že nemají vlastní tvar, shromáždí se je spodní části nádoby

a tvoří volnou hladinu. Newtonské kapaliny jsou ty, které se v oblasti laminárního prodění

chovají podle Newtonova zákona viskozity (poměr tečného napětí a gradientu rychlosti, tedy

dynamická viskozita, je konstantní). Kapaliny, které se tímto zákonem neřídí, se nazývají

nenewtonské. Sem patří kapaliny dilatantní, pseudoplastické a plastické. Vlastnosti obou

skupin kapalin budou podrobně probrány v příslušných kapitolách.

tekutiny

kapaliny vzdušiny

newtonské nenewtonské plyny páry

5

Vzdušina je v podstatě souhrnné označení pro látky v plynném skupenství. Ty se

vyznačují tím, že nemají vlastní tvar a zaujímají celý objem nádoby, ve které jsou uzavřeny.

Vzdušiny se rozdělují na páry a plyny podle toho, jak jsou dané látky vzdáleny od bodu

(teploty) zkapalnění. Označení pára se v technické praxi nejčastěji používá pro plynné

skupenství vody, tady vodní pára. Ta se používá především v energetice a proto se jí

nebudeme dále věnovat. V pneumatických (pneumostatických) mechanismech se nejčastěji

jako pracovní médium používá stlačený vzduch. Jedná se o mechanickou směs plynů a

malého dílu vodní páry. Vlastnostem stlačeného vzduchu bude věnována samostatná kapitola.

2. Fyzikální vlastnosti pracovních kapalin hydraulických systémů

Znalost fyzikálních veličin pracovních kapalin je důležitá zejména při výpočtech

hydraulických mechanismů, např. při zjišťování tlakových ztrát. Neméně důležité je ale znát

vlastnosti i při volbě pracovní kapaliny. Nevhodně zvolená kapalina může mít vliv na funkci a

případně i životnost mechanismů. Mezi nejvýznačnější fyzikální vlastnosti z pohledu

uvedených hledisek patří hustota, viskozita a její závislost na teplotě, bod tuhnutí, stlačitelnost

a měrná tepelná kapacita kapaliny.

2.1 Hustota kapalin a její měření

Hustota kapaliny ρ je definována jako její hmotnost m vztažená na jednotku objemu V

Vm

=r [ ]3-×mkg (2.1)

Hustota kapalin klesá s teplotou a roste s tlakem. To lze vysvětlit změnou objemu při

konstantní hmotnosti. Při zahřívání kapaliny vzroste vlivem tepelné roztažnosti její objem a

nepřímo úměrně této změně se zmenší hustota, což vyplývá z rov. 2.1. Naopak při zvyšujícím

se tlaku se vlivem stlačitelnosti kapalin objem zmenšuje a tím roste hustota.

Pozn.: Výjimku tvoří voda při zahřívání z 0°C na teplotu 3,98°C, při které má nejvyšší

hustotu (999,973 3-×mkg při atmosférickém tlaku). Mezi uvedenými teplotami se i přes

zahřívání objem vody zmenšuje, čímž roste hustota. Tento jev se nazývá teplotní anomálie

vody.

6

V tab. 2.1 jsou pro příklad uvedeny hustoty některých kapalin.

tab. 2.1 Hustota vybraných kapalin

kapalina [ ]3-×mkgr (při 20°C)

voda 998,2

minerální oleje 800 - 950

kapalina HFC 1040 - 1090

kapalina HFD 1140 - 1450

Způsobů a přístrojů pro měření hustoty je celá řada. Nejjednodušší zařízení je ponorný

hustoměr, obr. 2.1. Podle hloubky ponoření hustoměru se zjistí hustota kapaliny. Měření je

založeno na vyrovnání tíhové síly hustoměru a vztlakové síly kapaliny. Podobně pracují i

další měřidla, např. Mohrovy vážky, obr. 2.2. Měrné tělísko, které je umístěno na konec

delšího ramene vah, je zcela ponořeno do kapaliny a je nadlehčováno vztlakovou sílou.

Ramena vah se uvedou do rovnováhy pomocí závaží, která se umisťují na delší rameno.

Hustota je potom dána hmotností jednotlivých závaží a jejich polohou na rameni. Na principu

Archimédova zákona pracuje i hustoměr na obr. 2.3. Plovák hustoměru je spojen

s feromagnetickým jádrem, který se posouvá v cívce. V závislosti na vztlakové síle se mění

poloha plováku (jádra) a tím se mění i velikost elektrického výstupu, který je potom úměrný

hustotě kapaliny. Tento hustoměr lze použít i jako provozní měřidlo.

obr. 2.1 Hustoměr obr. 2.2 Mohrovy vážky obr. 2.3 Vztlakový hustoměr

s elektrickým výstupem

Dalším poměrně jednoduchým způsobem měření hustoty je měření pomocí

pyknometru, obr. 2.4. Jedná se o nádobu známého objemu s broušenou zátkou, ve které je

kapilára. Nádoba se naplní kapalinou, uzavře zátkou a kapilárou se nechá přetéct přebytečná

kapalina. Po osušení se zjistí hmotnost naplněného pyknometru.

7

obr. 2.4 Pyknometr [14]

Hustota se potom zjistí ze vztahu

Vmm 12 -=r [ ]3-×mkg (2.2)

kde 2m je hmotnost pyknometru naplněného měřenou kapalinou, 1m je hmotnost prázdného

pyknometru a V je jeho objem.

Další snímače, kterých je celá řada, jsou založeny na hydrostatickém principu, vážení

protékající kapaliny, dále to mohou být snímače vibrační, ultrazvukové, s radioaktivním

zářičem atd.

2.2 Viskozita kapalin, její závislost na teplotě a měření

Lze říci, že viskozita je mírou vnitřního tření kapalin. Mezi dvěma vrstvami kapaliny,

které se pohybují různou rychlostí, vzniká tečné napětí t . Podle Newtonova zákona rov. 2.3

je toto napětí lineárně úměrné gradientu rychlosti ve směru kolmém na pohyb kapaliny.

dydu×=ht [ ]Pa (2.3)

V rovnici je t tečné napětí, dydu je gradient rychlosti a h je dynamická viskozita, které

vyjadřuje směrnici přímky (konstantu úměrnosti) v grafu závislosti tečného napětí na

gradientu rychlosti, obr. 2.6

t

obr. 2.5 Rychlostní profil

t

obr. 2.6 Závislost t na dydu

8

Pozn. Newtonův zákon viskozity platí pouze pro newtonské kapaliny v oblasti

laminárního proudění. V tomto případě je viskozita konstantní (při daném tlaku a teplotě).

U nenewtonských kapalin viskozita konstantní není a závislost t na dydu má křivkový

charakter. O těchto kapalinách bude pojednáno v kapitole 5.

Z Newtonova zákona tady můžeme zjistit dynamickou viskozitu kapaliny podle vztahu

dyduth =

[ ]sPa × (2.4)

V hydraulických výpočtech se často vyskytuje podíl dynamické viskozity h a hustoty

kapaliny r . Pro tento poměr bylo zavedeno označení kinematická viskozita.

rhn = [ ]12 -× sm (2.5)

Kromě uvedené jednotky [ ]12 -× sm se často setkáme i kinematickou viskozitou uvedenou v

[ ]12 -× smm . Dříve byla používána jednotka [ ]cSt (centistokes), kde 1211 -×= smmcSt .

Viskozita kapalin je silně závislá na teplotě! Změna viskozity může mít podstatný

vliv na správnou funkci hydraulického mechanismu, proto je na místě této problematice

věnovat větší pozornost. Při práci hydraulického mechanismu dochází k zahřívání pracovní

kapaliny a viskozita klesá. Zmenšení viskozity má tyto důsledky:

- s klesající viskozitou klesají tlakové ztráty (kapalina klade menší odpor proti proudění)

- s klesající viskozitou rostou průtokové ztráty (kapalina se snadněji protlačí netěsnostmi)

- s klesající viskozitou se zhoršuje mazání (klesá únosnost kapalinného mazacího filmu a

hrozí např. zadření hydrogenerátoru)

Závislost viskozity na teplotě lze matematicky vyjádřit několika vztahy. Pro minerální

oleje, které jsou nejpoužívanější kapalinou hydraulických mechanismů, lze použít následující

rovnice [13]:)TT(ae 0

0--×= hh (2.6)

kde 0h je dynamická viskozita při teplotě 0T [ ]K , a je parametr závislý na druhu pracovní

kapaliny [ ]1-K ,

9

neboc

tt÷øö

çèæ×= 0

0hh (2.7)

kde 0h je dynamická viskozita při teplotě 0t [ ]C° a parametr c pro minerální oleje leží

v rozmezí 4352 ,až,c = pro teplotní rozsah Cažt °= 5421 .

Výrobci olejů většinou udávají dvě hodnoty viskozity a to při 40°C a 100°C. Z těchto

hodnot lze potom zjistit příslušný parametr a tím i průběh viskozity v žádaném teplotním

rozmezí. Průběh viskozity může být rovněž dán tabulkou, nebo častěji graficky pomocí tzv.

viskózní křivky, obr. 2.7.

obr. 2.7 Viskózní křivky pro minerální oleje – mezní hodnoty viskozity dle ISO 3448

Na obr. 2.7 je uvedeno několik viskózních křivek pro různé hydraulické oleje. Ty se podle

normy ISO 3448 rozdělují do tzv. viskózních tříd. Číslo třídy znamená střední viskozitu při

40°C. Podle viskózních křivek lze potom zvolit správnou viskózní třídu oleje pro požadované

rozmezí teplot.

Jak již bylo uvedeno výše, viskozita může ovlivnit např. tlakové a průtokové ztráty či

mazání pohybujících se částí. Při nízkých teplotách, kdy je viskozita vysoká vznikají velké

tlakové ztráty, což může mít za následek pomalejší chod mechanismu, případně jeho úplné

zastavení. Tlakové ztráty ovlivňují vstupní tlak do hydromotoru a tím jeho pracovní

10

parametry. Dále může v sacím potrubí docházet k vylučování rozpuštěného vzduchu z oleje,

který má nepříznivý vliv na funkci mechanismu především vznikem kavitace, o čemž bude

pojednáno dále. Vysoká viskozita může zapříčinit i to, že vůbec nedojde k nasátí kapaliny do

hydrogenerátoru. Proto výrobci hydraulických prvků uvádějí v katalozích maximální

viskozitu, při které ještě hydrogenerátor může pracovat, tzv. startovací viskozitu. Ta se pro

pístová hydrogenerátory pohybuje kolem 121000 -×= smmn , pro lamelové do12800 -×= smmn a pro zubové a šroubové až do 122500 -×= smmn

Naopak při vysokých teplotách se viskozita kapaliny sníží, dochází k velkým

průtokovým ztrátám, zhoršuje se mazání, zvyšuje opotřebení a hrozí až zadření

hydrogenerátoru. Proto je zaveden pojem krátkodobá minimální viskozita, která je dle

výrobců nejčastěji 1210 -×= smmn . Viskozita kapaliny na tuto hodnotu může krátkodobě

poklesnout, zařízení při ní ale nesmí být trvale provozováno. Rozsah 1215016 -׸= smmn

bývá označován jako provozní viskozita. Při nižších hodnotách viskozity v uvedeném

rozsahu jsou optimálně vyváženy tlakové a průtokové ztráty a dá se říci, že je při provozu

dosaženo nejlepší účinnosti. Optimální viskozita se nachází v rozmezí 123616 -׸= smmn .

S ohledem na předpokládanou teplotu pracovního prostředí a mechanismu a podle

uvedených limitních hodnot viskozity je třeba správně zvolit viskózní třídu oleje. Viskózních

tříd je více, ale nejpoužívanějších je šest - VG 10, 22, 32, 46, 68 a 100, tab. 2.2. Jak je

uvedeno v [13], třída VG 22 je určena pro provoz v arktických podmínkách, VG 32 pro zimní

provoz ve střední Evropě, VG 46 pro letní provoz, VG 68 a 100 pro tropické podmínky nebo

pro obvody s velkým vývinem tepla.

tab. 2.2 Viskózní třídy

viskózní třída

dle ISO 3448

střední viskozita při 40°C

[ ]12 -× smm

vistozitní rozmezí při 40°C

[ ]12 -× smm

ISO VG 10 10 9,0 – 11,0

ISO VG 22 22 19,8 – 24,2

ISO VG 32 32 28,8 – 35,2

ISO VG 46 46 41,4 – 50,6

ISO VG 68 68 61,2 – 74,8

ISO VG 100 100 90 – 110

11

Viskozitní index (VI) je bezrozměrné číslo, vyjadřující závislost viskozity kapaliny

na teplotě. Čím vyšší číslo, tím menší závislost viskozity na teplotě, tzn. že viskózní křivka je

plošší a kapalinu tak lze použít pro větší rozmezí teplot. VI se určuje srovnáváním viskozity

zkoušeného oleje s viskozitou olejů o VI 0 a 100 dle normy ČSN ISO 2909. Ke zjištění VI je

třeba znát kinematickou viskozitu zkoušeného oleje při 40°C a 100°C. Další hodnoty potřebné

k výpočtu (L a H) se odečtou z tabulky.

100×--

=HLULVI (2.8)

Ve vzorci je L viskozita [ ]12 -× smm referenčního oleje s VI=0 při C°40 , jehož viskozita při

C°100 je stejná jako viskozita zkoušeného oleje při téže teplotě, U viskozita [ ]12 -× smm

zkoušeného oleje při C°40 , H viskozita [ ]12 -× smm referenčního oleje s VI=100 při C°40 ,

jehož viskozita při C°100 je stejná jako viskozita zkoušeného oleje při téže teplotě,

obr. 2.8.

obr. 2.8 Určení viskozitního indexu [15]

VI se zaokrouhluje na celé číslo. Pokud je VI vyšší než 100, je třeba jej přepočítat dle vztahu

100007150

110+

-=

,VI

N

(2.9)

kdeYlog

UlogHlogN -= , přičemž Y je kinematická viskozita měřeného oleje při 100°C [16].

12

Viskozita je rovněž závislá na tlaku. U většiny kapalin viskozita s tlakem roste a tato

závislost je výraznější při nižších teplotách, obr. 2.9. Viskozita se výrazněji zvyšuje až při

vyšších tlacích, a proto se do MPa100 tato závislost většinou neuvažuje.

obr. 2.9 Závislost viskozity min. oleje HLP 46 na tlaku a teplotě [13]

Závislost viskozity na tlaku lze aproximovat vztahem [13])pp(be 0

0-×=hh (2.10)

kde 0h je dynamická viskozita při tlaku 0p a b je součinitel závislý na druhu kapaliny a její

teplotě. Pro minerální oleje se pohybuje v rozmezí ( ) 1810351 --×= Paaž,b . Pro nižší teploty

platí vyšší hodnoty součinitele (při 20°C je 181042 --×= Pa,b , při 50°C je 1810052 --×= Pa,b a

při 100°C je 1810471 --×= Pa,b ) [5].

Měření viskozity

K měření viskozity se nejčastěji používají následující viskozimetry:

- průtokové (kapilární),

- výtokové,

- tělískové,

- rotační.

Měření viskozity pomocí kapilárních viskozimetrů je založeno na Hagen-

Poiseuilově zákoně. Při laminárním proudění kapaliny měrnou kapilárou o známém poloměru

R a délce L je dynamická viskozita h úměrná tlakovému spádu na kapiláře zp a nepřímo

úměrná objemovému průtoku Q . Viskozitu potom lze vypočítat ze vztahu

LQRp z

××××

=8

4ph (2.11)

U kapilárních viskozimetrů se používá provedení s konstantním tlakovým spádem. Ten lze

dosáhnout např. pomocí tlakového inertního plynu nad hladinou kapaliny v nádobě, ze které

13

kapalina vytéká kapilárou. Další možností je použít viskozimetry s konstantním průtokem. Ty

jsou konstrukčně složitější, konstantní průtok se vyvozuje pomocí čerpadla.

Existuje velké množství konstrukcí kapilárních viskozimetrů, např. Ostwaldův,

Ubbelohdův a Vogel-Ossag. Princip měření je podobný, proto jmenujme za všechny pouze

Ubbelohdův viskozimetr, obr. 2.10. Pomocí hadičky se do pravé trubice natáhne tolik

kapaliny, aby hladina v nádobce D ležela mezi ryskami c a d . Po vytemperování na

požadovanou teplotu uzavřeme prostřední trubici a natáhneme měřenou kapalinu do levé

trubice tak, aby baňka A byla z poloviny plná. Všechny trubice se uvolní, kapalina se nechá

volně protékat kapilárou K a měří se čas průchodu hladiny mezi ryskami 1Z a 2Z . Viskozita

se potom vypočte z upravené Bernoulliho rovnice, viz. např. [10], nebo po jejím zjednodušení

a kalibraci daného viskozimetru z rovnice

ttn BA -×= (2.12)

kde A je kalibrační konstanta, B je korekce na kinetickou energii, t doba výtoku kapaliny.

obr. 2.10 Ubbelohdův viskozimetr obr. 2.11 Englerův viskozimetr

Výtokové viskozimetry jsou založeny na vztahu mezi objemem kapaliny, který

proteče při daném přetlaku kruhovou kapilárou za jednotku času, a mezi viskozitou kapaliny.

Kapilára je v tomto případě vzhledem k průměru krátká, proto se velká část polohové nebo

tlakové energie mění v kinetickou energii kapaliny v důsledku změny rychlosti na vstupu do

kapiláry. Vzhledem k tomu, že velikost kinetické energie nelze přesně určit, viskozita se

zjišťuje jako poměrná veličina vzhledem k viskozitě referenční kapaliny při určité teplotě

[10]. Takovou kapalinou může být např. destilovaná voda o teplotě C°20 .

14

Do této skupiny viskozimetrů patří Englerův viskozimetr, obr. 2.11, kterým se měří

viskozita v Englerových stupních [ ]E° . Zařízení se skládá z pozlacené válcové nádoby

mm106f , v jejímž dně je výtoková trubička (kapilára) délky mm20 . Kapilára má kruhový

průřez, přičemž se zužuje od horního průřezu o průměru mm,92f na průměr mm,82f .

Kapilára je uzavřena zátkou (tyčinka s kuželovým koncem). Nádoba na měřenou kapalinu je

obklopena lázní, pomocí které lze kapalinu zahřát na požadovanou teplotu. Do nádoby se

nalije 3240cm měřené kapaliny (hladina potom sahá do výše tří hrotů v nádobě). Viskozita ve

[ ]E° se zjišťuje jako poměr doby t výtoku 3200cm měřené kapaliny (měřeno od vytažení

zátky) a doby vt výtoku stejného množství destilované vody o teplotě C°20 . Doba výtoku

vody je sažv 5250=t .

v

Ett

= (2.13)

Pro přepočet viskozity ze [ ]E° na kinematickou viskozitu uvedenou v jednotkách SI je

možno použít empirický vztah

610316317 -×úûù

êëé

°-°×=

E,E,n [ ]12 -× sm (2.14)

Tělískové viskozimetry jsou založeny na rychlosti pádu tělíska (nejčastěji kuličky) ve

zkoušeném médiu. Pro tyto viskozimetry platí s určitými úpravami Stokesův vztah pro

rovnoměrnou konstantní pádovou rychlost kuličky v kapalině

( ) ( )t

rrrrh ×

×-×××

=×

-×××=

Lgr

wgr mkmk

92

92 22

[ ]sPa × (2.15)

kde w je rychlost pádu kuličky, kr hustota kuličky, mr hustota zkoumaného média,

r poloměr kuličky, L dráha pádu kuličky a t je doba průchodu kuličky dráhou.

V měřicím přístroji ale nelze dosáhnout ideálních podmínek, proto je do výpočtu

viskozity třeba zahrnout opravný koeficient, který zohledňuje vliv průměru koule, průměru

zkušební nádoby a délku dráhy pádu. Opravný koeficient se určuje kalibrací měřením kapalin

o známé viskozitě.

Mezi nejpoužívanější tělískové viskozimetry patří Höpplerův viskozimetr, obr. 2.12.

Hlavní částí je kalibrovaná trubice skloněná o °10 vůči vertikále. Trubice se naplní

zkoumanou kapalinou a měří se doba pádu kuličky mezi dvěma ryskami vzdálenými mm100 .

15

Dynamická viskozita se potom vypočítá z upravené rovnice 2.15

( ) trrh ×-×= mkk1 [ ]sPa × (2.16)

kde 1k je konstanta viskozimetru určená výrobcem pro každou kuličku nebo cejchováním

pomocí kapaliny o známé viskozitě.

Höpplerův viskozimetr se vyznačuje vysokou přesností (nejistota měření je dle použité

kuličky max. %2± . Lze jej použít pro kapaliny i plyny o viskozitě smPaaž, ×8000060 .

Měrná trubice je umístěna v lázni, pomocí které lze měřený vzorek temperovat v rozsahu

teplot C01560 °- až .

obr. 2.12 Höpplerův viskozimetr obr. 2.13 Höpplerův Rheo-viskozimetr

Na stejném principu pracuje i Höpplerův Rheo-viskozimetr, obr. 2.13, který lze použít

pro měření velkých viskozit ( sPaaž, ×00040040 ). Kulička je pevně spojena s vahadlem, na

které lze zavěsit různá závaží, která umožňují překonat zvýšený odpor kapaliny. Opět se

zjišťuje doba průchodu kuličky předepsanou drahou. Viskozita se potom vypočítá podle

podobného vzorce jako v předchozím případě, pouze je zde dalším koeficientem zohledněna

velikost závaží.

Rotační viskozimetry

Princip činnosti těchto viskozimetrů vychází z Couetteova proudění v mezikruží mezi

dvěma souosými válci, z nichž jeden se otáčí. Měří se zde úhlová rychlost nebo otáčky za čas

a krouticí moment, který vzniká v důsledku odporu proudící kapaliny. V libovolném místě

mezery na poloměru r se moment vypočítá

tp ××××= hrM 22 (2.17)

Ve vztahu je h hloubka ponoření vnitřního válce do kapaliny a t tečné napětí

16

drdr wht ×

×= (2.18)

Spojením obou rovnic a úpravami získáme vztah pro výpočet dynamické viskozity

úû

ùêë

é-×

×××= 2

22

1

114 RRh

Mwp

h [ ]sPa × (2.19)

kde w je úhlová rychlost a 1R a 2R jsou poloměry válců (mezery mezi válci).

obr. 2.14 Rotační viskozimetr a) typ Searle, b) typ Couett

Pomocí rotačních viskozimetrů lze měřit viskozitu newtonských i nenewtonských

kapalin. U nenewtonských kapalin se zjišťuje tzv. toková křivka (reogram) a viskozimetry se

v tomto případě označují jako reometry. Existuje několik variant rotačních viskozimetrů. Typ

CS – reometry s řízením smykového napětí (zajišťují konstantní krouticí moment a měří se

otáčky) a typ CR - reometry s řízením smykové deformace (zajišťují konstantní rychlost

otáčení, měří se krouticí moment). Reometry CR lze navíc rozdělit podle toho, zda se otáčí

vnitřní nebo vnější válec, obr. 2.14. Kromě toho se lze setkat i s reometry, které mají místo

válečků jiná tělíska, např. válec s kuželovým zakončením, kužel, pouze desku apod.

17

2.3 Stlačitelnost kapalin

Je to schopnost kapaliny zmenšit svůj objem při zvýšení tlaku. Jedná se o velmi

významnou vlastnost, se kterou je třeba počítat jak při návrhu, tak při provozu hydraulických

mechanismů. Stlačování kapalin je termodynamický děj. Podle rychlosti stlačování se lze

setkat s izotermickým dějem (pomalé stlačování), nebo adiabatickým (izoentropickým) dějem

(rychlé stlačování). Rozdíl v poměrné změně objemu při obou dějích v závislosti na tlaku a

teplotě je uveden na obr. 2.15.

obr. 2.15 Vliv tlaku a teploty na poměrnou změnu

objemu min. oleje [5]

obr. 2.16 Určení sečného a tečného modulu pružnosti

kapaliny [5]

Stlačitelnost kapalin může být vyjádřena modulem objemové pružnosti nebo

součinitelem stlačitelnosti. Objemový modul pružnosti může být definován jako sečný modul

pružnosti, obr. 2.16, který je definován rovnicí 2.20, nebo jako tečný definovaný rovnicí 2.21.

VpV

VVpVKK oo

s DD×

=-D×

==0

[ ]Pa (2.20)

Kde 0V je původní objem kapaliny, V je objem po stlačení a pD je změna tlaku.

VpVK t ¶¶

= [ ]Pa (2.21)

Pro minerální oleje je poměr 131,KK st = . Stejná hodnota platí i pro poměr adiabatického a

izotermického modulu pružností 131,KK itad = .

Pro praxi je zbytečné rozlišovat čtyři moduly pružnosti, proto bylo na základě

výzkumu zavedeno označení statický modul pružnosti sK , který je identický se sečným

izotermickým modulem pružnosti a dynamický modul pružnosti dK , který je identický

s tečným adiabatickým modulem pružnosti [5].

18

Přibližné hodnoty statických modulů objemové pružnosti vybraných kapalin jsou

uvedeny v tab. 2.3.

tab. 2.3 Statický modul objemové pružnosti kapalin

druh kapaliny statický modul pružnosti [ ]PaK s

minerální a rostlinné oleje ( ) 9108141 ׸ ,,

syntetické kapaliny HFD 9102 ×

voda 9102 ×

kapaliny HFC 9103 ×

Jak již bylo uvedeno, stlačitelnost kapalin lze vyjádřit i součinitelem stlačitelnost,

který je pouze obrácenou hodnotou modulu objemové pružnosti.

Kp

1=b [ ]1-Pa (2.22)

Modul stlačitelnosti není látkovou konstantou, ale mění se s teplotou a tlakem (se zvyšující se

teplotou modul pružnosti klesá, se zvyšujícím se tlakem roste). Příklad je uveden na obr. 2.17.

obr. 2.17 Závislost modulu stlačitelnosti minerálního oleje HLP 46 na tlaku a teplotě

(bez obsahu volného vzduchu) [13]

Mimo uvedenou závislost modulu objemové stlačitelnosti na tlaku a teplotě má na

jeho velikost podstatný vliv obsah volného (nerozpuštěného) vzduchu v kapalině. Volný

vzduch (nebo jiný plyn) výrazně snižuje modul objemové pružnosti kapalin. Volným

vzduchem je myšlen vzduch v podobě bublinek. Kapalina s obsahem volného vzduchu již

není homogenním prostředím, ale jedná se o suspenzi plynu v kapalině. Modul objemové

19

stlačitelnosti vzduchu za normálních podmínek je Pa,K 61041 ×= , což je o tři řády méně než

u kapalin. Modul pružnosti suspenze potom klesá v závislosti na množství volného vzduchu.

Na obr. 2.18 jsou uvedeny přibližné průběhy poměrů modulu pružnosti *K provzdušněného

oleje a K neprovzdušněného oleje v závislosti na tlaku.

obr. 2.18 Poměr modulů pružnosti minerálního oleje [5]

a) statický modul pružnosti – obsah vzduchu: 1 – 0,1%; 2 – 1%; 3 – 2%; 4 – 4%; 5 – 8%b) dynamický modul pružnosti – obsah vzduchu: 1 – 0,1%; 2 – 0,2%; 3 – 0,4%; 4 – 0,8%

Z grafů je zřejmé, že volný vzduch má největší vliv na objemový modul pružnosti při

nižších tlacích, tzn. že v případě nízkotlaké hydrauliky jsou mechanismy méně tuhé. Proto je

vhodné navrhovat mechanismy na vyšší pracovní tlak.

Obsah volného vzduchu v oleji není jednoduché zjistit. Při výpočtech je však třeba

počítat s tím, že modul pružnosti jím bude ovlivněn. Pro přibližné určení modulu objemové

pružnosti směsi oleje a vzduchu lze použít vztah [13]

pK

VV

pp

VV

KK

k

p

k

p

*

××+

+×=

01

1[ ]Pa (2.23)

kde *K je statický objemový modul pružnosti suspenze [ ]Pa , K objemový modul pružnosti

oleje bez vzduchu [ ]Pa , kV objem kapaliny [ ]3m ve směsi při tlaku 0p , pV objem plynu [ ]3m

ve směsi při tlaku 0p , p tlak (pracovní) směsi [ ]Pa , 0p atmosférický tlak [ ]Pa .

Přítomnost vzduchu v oleji má kromě snížení modulu pružnosti i jiné nepříznivé

účinky, jako např. oxidace a tím stárnutí oleje, vznik kavitace a pěnění. O tom však bude

pojednáno dále.

20

Na tomto místě je třeba vysvětlit jak bublinky volného vzduchu v pracovní kapalině

vznikají. Možností je několik. Jedna z nich je např. nevhodná konstrukce konce zpětného

vedení kapaliny. Pokud je tento nad hladinou kapaliny v nádrži, při výtoku kapalina strhává

vzduch a ten potom tvoří bubliny. Častější příčinou vzniku bublin je ale vylučování

rozpuštěného vzduchu z kapaliny.

Každá kapalina má větší či menší schopnost rozpustit (absorbovat) určité množství

vzduchu, případně jiného plynu. Toto množství záleží na vlastnostech kapaliny, plynu, tlaku a

teplotě. Vzduch proniká do kapaliny na jejich rozhraní, tedy na hladině. Rozpustnost je přímo

úměrná absolutnímu tlaku plynu na hladině a naopak mírně klesá s teplotou oleje. Závislost

rozpustnosti na tlaku u různých kapalin je uvedena na obr. 2.19

obr. 2.19 Rozpustnost vzduchu v hydraulických kapalinách [4]

Množství rozpuštěného vzduchu lze vyjádřit rovnicí 2.24.

0ppVV pkp ××= a (2.24)

kde pV je objem rozpuštěného plynu [ ]3m , kV objem kapaliny [ ]3m , p absolutní tlak na

hladině [ ]Pa , 0p atmosférický tlak [ ]Pa a pa je součinitel rozpustnosti plynu v kapalině.

Součinitel rozpustnosti pa záleží na vlastnostech kapaliny a plynu. Tak např. oleje

s menší viskozitou absorbují více vzduchu než oleje s větší viskozitou a podobně oleje o

menší hustotě absorbují více plynu než oleje hustší. Přibližná hodnota součinitele rozpustnosti

pro minerální oleje je 090080 ,,p ¸=a a pro vodu 020,p =a , tzn. že v jednom

litru minerálního oleje se rozpustí téměř 0,1 litru vzduchu.

Rozpuštěný vzduch neovlivňuje stlačitelnost kapalin a tím práci hydraulického

mechanismu. Problém nastává až v okamžiku, kdy se rozpuštěný vzduch začne uvolňovat a

21

tvořit bublinky. K vylučování vzduchu dochází za sníženého tlaku (podtlaku). Nejčastějším

místem v hydraulickém mechanismu kde dochází k podtlaku je sací potrubí. Podtlak vzniká

vlivem tlakových ztrát (třecích, místních) ve vedení. Množství uvolněného vzduchu závisí na

velikosti podtlaku. Při velkém odporu v sacím potrubí může dojít až k tomu, že se vytvoří

pěna. Bublinky putují s kapalinou do hydrogenerátoru, kde se směs stlačována a dochází ke

kavitačnímu opotřebení hydrogenerátoru, což je jeden z nežádoucích jevů způsobených

volným (nerozpuštěným) vzduchem. Přestože je směs kapaliny a vzduchu v hydrogenerátoru

stlačována, nedojde za vysokého tlaku k úplnému rozpuštění vzduchu zpět do kapaliny.

Rozpouštění vzduchu je děj časově náročnější, obr. 2.20, než uvolňování, a proto část bublin

pokračuje spolu s kapalinou dále do obvodu.

obr. 2.20 Rozpustnost vzduchu v závislosti na tlaku a času [4]

Sací potrubí není jediným místem, kde může k vylučováni vzduchu z kapaliny dojít.

Podtlak a tím také podmínky pro uvolnění vzduchu mohou vzniknout i za hranami ventilů a

šoupátek např. při rychlém uzavírání rozváděče.

Bublinky které projdou celým hydraulickým systémem je třeba od oleje odloučit

v nádrži pomocí různých sít a přepážek vhodně umístěných mezi sací a zpětné vedení.

2.4 Teplotní objemová roztažnost

Kapaliny podobně jako jiné látky mění s teplotou svůj objem. Tuto změnu lze

charakterizovat součinitelem objemové roztažnosti Tb v závislosti na teplotě

dTdV

VT ×=1b [ ]1-K (2.25)

kde V je původní objem a T teplota [ ]K .

22

Součinitel teplotní roztažnosti se mírně mění s teplotou a tlakem. Přibližné hodnoty

součinitelů teplotní objemové roztažnosti pro vybrané kapaliny jsou uvedeny v tab. 2.4

tab. 2.4 Součinitelé teplotní objemové roztažnosti

druh kapaliny souč. teplotní roztažnosti Tb [ ]1-K

minerální oleje ( ) 410775 -׸ ,

kapaliny HFC 4107 -×

kapaliny HFD 41047 -×,

voda (20°C; 50°C) 4102 -× ; 410574 -×,

Je třeba si uvědomit, že při každém výšení teploty o 10°C se objem kapaliny zvětší a

cca 0,7%. S touto vlastností kapalin je třeba počítat např. při dimenzování nádrží.

2.5 Měrná tepelná kapacita

Je to schopnost přijímat a akumulovat teplo. Můžeme ji vyjádřit známým vztahem,

který platí i pro pevné a plynné látky

dTmdWc×

= [ ]11 -- ×× KkgJ (2.26)

Měrná tepelná kapacita se mění s teplotou, závislost na tlaku je zanedbatelná. Přibližné

hodnoty při 20°C pro vybrané kapaliny a materiály jsou uvedeny v tab. 2.5

tab. 2.5 Měrná tepelná kapacita

druh kapaliny a materiálu měrná tepelná kapacita c [ ]11 -- ×× KkgJ

minerální oleje 1900

syntetické oleje 1500

kapaliny HFC 3000

voda 4180

ocel 470

litina 540

měď 390

hliník 900

plasty 2300

23

Měrná tepelná kapacita má význam při tepelném výpočtu hydraulického obvodu, tzn.

výpočet ohřevu prvků obvodu a kapaliny, návrh chlazení apod.

2.6 Bod tuhnutí

Na rozdíl např. od vody, která má pevný bod tuhnutí, oleje tuhnou postupně. To lze

vysvětlit tak, že se snižující se teplotou roste jejich viskozita, až při určité hodnotě (okolo121 -× sm ) přestávají téci. Bod tuhnutí (pour point) u olejů je nejnižší teplota, při které olej

ještě teče. Bod tuhnutí se udává ve C° . Zkouška probíhá tak, že se kapalina zahřeje do úplné

tekutosti, předepsanou rychlostí se ochlazuje a při snížení teploty o každé C°3 se zjišťuje

tekutost (pozn. podle zrušené normy ČSN 656072 nakláněním hranaté zkumavky

s vodorovnou ryskou). V současné době je bod tuhnutí definován normou DIN ISO 3016.

Bod tuhnutí u minerálních olejů závisí především na množství zbytkového parafinu,

který krystalizuje jako první, syntetické oleje tuhnou při nižších teplotách. Teplotu tuhnutí lze

upravit přísadami zvanými depresanty.

Bod tuhnutí výrazně ovlivňuje volbu pracovní kapaliny. Teplota systému při startu (ale

i během provozu) by měla být minimálně C°8 nad bodem tuhnutí. Samozřejmě je třeba brát

v úvahu i doporučenou maximální viskozitu hydrogenerátoru! U olejů pro hydraulické

mechanismy se uvádí bod tuhnutí max. -30 až -40°C.

3. Chemické vlastnosti

Mezi chemické vlastnosti kapalin lze zařadit ty, při nichž dochází k nějaké chemické

reakci (mění se podstata původní látky). Mezi tyto vlastnosti patří i bod vzplanutí, hoření a

samovznícení, které jsou vyjádřeny fyzikální veličinou – teplotou. Mezi chemické vlastnosti

dále patří působení na materiály hydraulického systému včetně těsnění (např. koroze) a

naopak působení ostatních látek na kapalinu samotnou (např. oxidace).

3.1 Bod vzplanutí, hoření a samovznícení

Hoření je chemická reakce, při které částice hořlavé látky oxidují za vzniku tepla a

světla. Je ovšem třeba si uvědomit, že nehoří látka v kapalném ale v plynném skupenství, tedy

její páry. K tomu aby látka hořela je zapotřebí aby se vytvořila směs hořlavých par se

vzduchem a to v určitém poměru a dále je nutná přítomnost zdroje tepla, který iniciuje hoření.

24

Minerální oleje, které jsou nejpoužívanější pracovní kapalinou, jsou z chemického

hlediska dlouhé řetězce uhlovodíků. Stejně jako ostatní ropné produkty jsou hořlavé a proto je

třeba s nimi nakládat jako s nebezpečnou látkou, dodržovat bezpečnostní předpisy a

nepoužívat je v těch aplikacích, kde hrozí nebezpečí požáru.

Nebezpečnost hořlavých látek se klasifikuje podle bodu vzplanutí. Bod (teplota)

vzplanutí (Flash point) je teplota, při které se po přiblížení plamene ke zkušební nádobce

s olejem jeho páry vznítí, ale nezačnou trvale hořet. Zkouška dle normy ČSN EN ISO 2592

probíhá tak, že zkušební kelímek s ml60 oleje je postupně zahříván a v určitých intervalech

se nad hladinou přechází s malým plamenem. Nejnižší teplota při níž olejové páry vzplanou je

hledaný bod vzplanutí.

Podle budu vzplanutí se kapaliny dělí do čtyř tříd nebezpečnosti, tab. 3.1.

tab. 3.1 Třídy nebezpečnosti kapalin

třída bod vzplanutí kapaliny příklad

I. třída do C°21 aceton C°-18 , benzín C°- 8 , etylalkohol C°+12

II. třída nad 21°C do C°55 petroleje od C°25 , nafta Diesel C°55

III. třída nad 55°C do C°100 topný olej nad C°65

IV. třída nad C°100 do C°250

Hydraulické oleje mají bod vzplanutí v rozmezí asi C°¸ 25095 a většina z nich tedy

patří do IV. třídy nebezpečnosti.

Další významnou teplotou je bod hoření. Je to taková teplota, při níž směs par

kapaliny a vzduchu trvale hoří (alespoň 5 s) i po oddálení pomocného plamene. To lze

vysvětlit tak, že při hoření dochází k takovému vývinu tepla, které je zapotřebí k odpaření

dalších par kapaliny. Zkouška je rovněž definována normou ČSN EN ISO 2592.

Teplota samovznícení je taková teplota, při níž se hořlavá látka spontánně vznítí

pouze při styku se vzduchem bez přítomnosti plamene či jiskry. Tato teplota je ovšem pouze

orientační (pro dané podmínky), protože závisí na spoustě okolností. Při procesu

samovznícení dochází k biologickým, fyzikálním a chemickým změnám uvnitř samotné látky.

Jedná se o okysličování molekul par hořlaviny, přičemž vzniká teplo. To se akumuluje v látce

a způsobuje další vypařování. Samovznícení pak závisí i na tlaku, okolních materiálech atd.

25

3.2 Oxidační stálost

Oxidační (též termooxidační) stálost je odolnost proti stárnutí vlivem účinku kyslíku,

tepla, světla a různých chemických látek. Kyslík se váže na řetězce uhlovodíků oleje (olej

oxiduje) a mění se tím chemické složení základního oleje, ve kterém vznikají látky kyselé

povahy, olejový kal, lepkavé a mazlavé látky a v některých případech (za vysokých teplot)

asfaltovité látky, které mohou být plastické až tvrdé. Tyto produkty oxidace jsou v oleji

samozřejmě nežádoucí, protože mohou zalepit nejen filtry, ale i ventily a rozváděče. Jak již

bylo uvedeno, na oxidaci, tedy na stárnutí oleje, mají vliv i další faktory, jako je teplota oleje,

přítomnost vody, kovového otěru atd. Uvádí se, že při teplotě nad C°70 se rychlost oxidace

zvýší dvojnásobně při každém zvýšení teploty o C°10 . Oxidaci urychlují i kovové částice

(otěr) a obecně styk s kovovými (především měděnými) částmi systému, které působí jako

katalyzátor oxidace oleje.

S oxidací (stárnutím) oleje má souvislost i pojem číslo kyselosti. To udává míru

stárnutí oleje. Většina nových olejů je mírně zásaditá a oxidací přechází do kyselé fáze. Číslo

kyselosti potom udává množství hydroxidu draselného KOH v [ ]mg potřebného pro

neutralizaci g1 oxidačně zestárlého oleje.

Zkoušky oxidační stálosti se provádějí podle normy ČSN 656235. Hodnotí se doba, za

jakou se při podmínkách předepsaných normou zvýší kyselost na g/KOHmg2 . Zkouška

probíhá následně. Do zkušební aparatury se nalije olej, do kterého se vloží katalyzátory

(ocelový a měděný drát), olej se zahřeje na teplotu C°95 a po dosažení této teploty se do oleje

začne vhánět kyslík. Po každých 160 hodinách se zjišťuje číslo kyselosti až do dosažení

g/KOHmg2 (maximální doba zkoušky 1200 h).

Pro zvýšení oxidační stálosti se do oleje přidávají tzv. antioxidanty (inhibitory

oxidace). Ty zabraňují rychlé oxidaci oleje, ale časem se „spotřebovávají“. V hydraulických

mechanismech se nejčastěji používá adialkyldithiofosfát zinečnatý (Zn DDF). Po vyčerpání

antioxidantů (poklesu jejich množství pod kritickou mez) nastává rychlá oxidace uhlovodíků

oleje. Stárnutím se nemění pouze chemické vlastnosti oleje, ale i fyzikální vlastnosti, např.

viskozita. Na obr. 3.1 je uvedeno porovnání stárnutí kapalin bez a s antioxidačními přísadami.

26

obr. 3.1 Průběh stárnutí oleje [4]

Některé oleje, zvláště se zvýšeným obsahem některých aditiv (oleje HM a HV),

mohou být mírně kyselé již z výroby. U těchto olejů je potom problém se zjištěním zestárnutí

pomocí čísla kyselosti. Proto se stále častěji využívá infračervené spektrometrie. Jedná se o

spektrální analytickou metodu, při které se využívá vlastnosti molekul látek absorbovat světlo

v infračervené oblasti spektra. Většina chemických vazeb se vyznačuje charakteristickými

absorpčními pásy při určitých vlnových délkách. Množství např. antioxidantů se potom

zjišťuje porovnáním spektra nového a použitého oleje, obr. 3.2 (oblast 1680620 -¸ cm

odpovídá absorpční oblasti aditiva Zn DDF).

obr. 3.2 Část infračerveného spektra oleje [4]

27

3.3 Korozívní působení na kovy

Pracovní kapaliny mohou více či méně reagovat s použitými kovovými částmi

hydraulického mechanismu. Voda, vodní emulze a roztoky působí korozívně na konstrukční,

uhlíkové a nízkolegované oceli. Při použití těchto kapalin je nutné do nich přidat tzv.

antikorodanty. Jsou to látky, které zlepšují ochranu železných i neželezných částí před vodní

i vzdušnou korozí. Přestože oleje korozívně nepůsobí, přidávají se antikorodanty i do nich,

protože do oleje může proniknout voda. Antikorodanty se chemicky spojí s kovovým

povrchem, vytvoří ochrannou vrstvu a brání tak vzniku a rozvoji koroze. Lze je rozdělit do

dvou skupin:

- inhibitory rezivění – zlepšují ochrannou schopnost železných částí před stykem

s vodou, atmosférickým kyslíkem a kyselými zplodinami v oleji.

- inhibitory koroze – zlepšují ochrannou schopnost železných i neželezných částí před

stykem s vodou, atmosférickým kyslíkem a kyselými zplodinami v oleji.

Inhibitory se spojí se všemi kovovými částmi, tzn. i s kovovým otěrem. Tyto drobné

částice, stejně jako funkční plochy, jsou potom „obaleny“ ochrannou vrstvou a nemohou

působit jako katalyzátor oxidace oleje. Antikorodanty tedy působí i jako tzv. pasivátory kovů.

Pro zjištění korozívního působení ropných produktů na kovy se používají dvě normy:

ČSN 65 6074 Ropné výrobky - Stanovení korozivního působení na kovy a ČSN EN ISO 2160

(65 6075) Ropné výrobky - Korozivní působení na měď - Zkouška na měděné destičce.

Při zkoušce ochranné schopnosti proti rezivění se hodnotí schopnost oleje chránit

vyleštěný povrch zkušebního ocelového tělíska proti rezivění v přítomnosti vody při mírně

zvýšené teplotě. Zkouška trvá 24 hodin a ze vzhledu vzorku se potom usuzuje na schopnost

ochrany proti rezivění.

Při zkoušce korozívního působení na měď se zjišťuje působení sirných sloučenin

v oleji na měď. Vyleštěný kovový pásek se ponoří obvykle na 3 hodiny do oleje o teplotě

C°100 a po vytažení se podle etalonů hodnotí změna vzhledu vzorku. Nepřípustné je

vytvoření sytě černého povlaku, hraniční je vznik zelených skvrn, ještě únosné je modré

zabarvení.

28

3.4 Vliv pracovních kapalin na elastomery

Pracovní kapaliny mohou nepříznivě působit na ty části hydraulického mechanismu,

které jsou vyrobeny z eleastomerů, tedy zejména na těsnění a hadice. O tom, zda kapalina

nějakým způsobem reaguje s eleastomery, rozhoduje chemické složení jak kapaliny, tak

elastomeru. Obecně lze říci, že např. v případě minerálních olejů rozhoduje o působení

uhlovodíkové složení oleje a způsob jeho rafinace. Snášenlivost minerálních olejů

s eleastomery lze zhruba vyjádřit velikostí anilínového bodu. Anilínový bod je nejnižší

teplota, při které je olej dokonale rozpustný v anilínu v objemovém poměru 1:1, je mírou

obsahu aromatických uhlovodíků v oleji a charakterizuje rozpouštěcí schopnost základového

oleje.

Pracovní kapalina může způsobit dvě protichůdné reakce. Olej difunduje do

elastomeru, tím dochází k bobtnání a měknutí pryže. Tímto se vyznačují oleje s vyšším

obsahem aromátů (naftenické oleje), pro které je charakteristický nižší anilínový bod. Naproti

tomu oleje s vyšším anilínovým bodem naopak způsobují smršťování tvrdnutí a deformaci

pryže v důsledku extrakce změkčovadel elastomeru.

Kompatibilita kapalin a eleastomerů se zkouší podle normy ČSN ISO 1817. Vzorky

pryže se vloží do kapaliny, který se zahřeje na C°100 . Zkouška trvá 1000 hodin (42 dnů).

Hodnotí se hmotnostní nebo objemový přírůstek či úbytek pryže. Limitními hodnotami je

%5+ a %1- objemové změny. Za stejných podmínek pouze za kratší dobu (168 hodin – 7

dnů) se provádí tzv. DVI test (Dichtungsverträglichkeits – Index) nebo též ECI (Elastomer

Compatibility Index) dle normy ISO 6072.

V tab. 3.2 a na obr. 3.3 jsou uvedeny příklady výsledků měření snášenlivosti

řepkového oleje (EKOHYD 64) s běžně používanou nitril-butadienovou pryží (80NBR878) a

sírou sesíťovaným HNBR(S) materiálem [9].

tab. 3.2 Změna objemu pryže při působení řepkového oleje

změna objemu pryže [%]

čas [dnů] 80NBR878 HNBR(S)

7 -1,8 0,62

14 -2,06 0,82

28 -2,39 1,23

42 -3,21 1,68

29

-4

-3

-2

-1

0

1

2

0 10 20 30 40 50

čas [dnů]

změn

a ob

jem

u [%

]

80NBR878HNBR(S)

obr. 3.3 Změna objemu pryží při působení řepkového oleje

Z uvedeného je zřejmé, že pro řepkový olej není vhodné používat těsnění a hadice

z obyčejné nitril-butadienové pryže (smrštění překračuje limit -1% změny objemu).

Pracovních kapalin je velké množství, stejně jako pryží, které se v hydraulických

mechanismech používají, a proto je třeba se na kompatibilitu použitých pryží a kapalin

informovat u příslušných výrobců.

4. Provozní vlastnosti kapalin

V této kapitole budou popsány další podstatné vlastnosti kapalin které mají vliv na

provoz hydraulického mechanismu, ale nelze je jednoznačně zařadit mezi fyzikální či

chemické.

4.1 Mazací schopnost

Na úvod tohoto odstavce je třeba vysvětlit základní pojmy. Při provozu hydraulických

mechanismů (ale i jiných) dochází k vzájemnému pohybu částí prvků, zejména

v hydromotorech a hydrogenerátorech. Je žádoucí, aby byly funkční plochy odděleny vrstvou

kapaliny, a tak mohlo ve spáře vzniknout kapalinné tření. Toto tření vzniká za přítomnosti

jakékoliv kapaliny ve spáře a velikost třecích sil závisí na viskozitě kapaliny. Toto tření je

z hlediska mechanických ztrát a prakticky nulového opotřebení nejvýhodnější a při mazání je

cílem tohoto stavu dosáhnout (např. hydrodynamická ložiska). Při zvýšení přítlačné síly na

30

pohybující se plochy dochází ke zmenšování spáry, vytlačování maziva a tření přechází

z kapalinného na smíšené, mezní, nebo dokonce suché (kov na kov). To je samozřejmě

nežádoucí, protože dochází k velkému opotřebení, případně např. k zadření převodníku.

Nyní k pojmu mazací schopnost. Je to schopnost kapaliny vytvořit na kluzné ploše

souvislou tenkou a dostatečně pevnou vrstvu, které odděluje třecí plochy (vrcholky

nerovností) při vzájemném kontaktu. Tento „obal“ bývá nazýván mazací film. Ne každá

kapalina má schopnost mazací film vytvořit. Například voda je při zvýšené přítlačné síle ze

spáry zcela vytlačena a dojde ke kontaktu kov na kov. Voda tedy nemá žádnou mazací

schopnost. Naproti tomu oleje mají do určitého zatížení přirozenou mazací schopnost a vznik

mazacího filmu lze vysvětlit následně. Oleje jsou tvořeny polarizovanými molekulami

uhlovodíků, které se svými polárními konci přichytí k mazaným plochám. Tomuto jevu se

říká fyzikální adsorpce – spojení molekul oleje a mazaného povrchu má fyzikální základ.

Mazací film má tloušťku jedné molekuly, má dobrou smykovou pevnost a odděluje kluzné

plochy. Molekuly se mohou při zatížení deformovat, ale film zůstane neporušen do určitého

zatížení. Přirozená mazací schopnost ropných olejů bez zušlechťujících přísad je dostačující

pro hydraulické mechanismy do tlaku cca MPa16 .

Pro vyšší tlaky je třeba použít oleje s tzv. mazivostními nebo protioděrovými

přísadami. Jedná se o organické látky tvořené vysoce polarizovanými molekulami, které

rovněž vytvářejí mazací film na základě fyzikální adsorpce. Pro vysoké tlaky a extrémní

namáhání kapaliny je třeba použít oleje s tzv. vysokotlakými VT (též EP – Extrem Pressure)

přísadami. Tyto organokovové látky s obsahem síry a fosforu se s kluznými plochami spojí

chemicky (chemická adsorpce – chemisorpce) a vytvoří tenkou tvrdou a hladkou „slupku“. Ta

brání zadření i při extrémním namáhání a proto se přísadám také říká protizáděrové. Mezi tyto

přísady patří např. Zn DDF, který byl uveden již jako antioxidant.

Mazací schopnost se nejčastěji hodnotí tzv. Vickers testem, který je uznáván i

organizací ISO. Test se provádí na vybraném lamelovém hydrogenerátoru firmy Vickers a

zjišťuje se při něm opotřebení lamel a statorového kroužku. Po dobu 250 hodin je

hydrogenerátor zatěžován tlakem MPa14 při viskozitě oleje 1213 -× smm . Ve stanovených

časových intervalech se zjišťuje úbytek hmotnosti lamel a kroužku, z čehož se potom usuzuje

na mazací schopnost. Povolené opotřebení je mg200 po 250 hodinách zkoušky. Oleje bez

zušlechťujících přísad této hodnoty dosáhnou již po cca 10 hodinách.

31

4.2 Vliv vzduchu v kapalině

Kromě již dříve zmíněného vlivu vzduch na objemový modul pružnosti a stárnutí

kapaliny, má vzduch v kapalině další nežádoucí účinky, jako snížení pevnosti mazací vrstvy,

kavitaci apod. Proto je třeba, aby olej dobře odlučoval vzduch a pokud možno, aby se

vzduchem netvořil pěnu. Vzduchové bubliny se mohou v kapalině vytvářet uvolňováním

rozpuštěného vzduchu v místech se sníženým tlakem a dále např. přisáváním netěsnostmi

v potrubí, nevhodnou konstrukcí odpadního vedení v nádrži apod. Již bylo uvedeno, že

k odloučení vzduchu a uklidnění kapaliny slouží nádrž a v ní vhodně umístěné přepážky nebo

síta.

Odlučitelnost vzduchu z oleje se zkouší podle normy ČSNISO 9120. Kapalina o

teplotě 25 °C, 50 °C nebo 75 °C se profukuje stlačeným vzduchem. Následně se vyhodnocuje

únik dispergovaných bublin a to tak, že se zjišťuje hustota oleje. Z grafu hustoty v závislosti

na čase se zjistí doba, za kterou se obsah dispergovaného vzduchu sníží na 0,2 % (V/V).

(Zkouška se provádí i podle německé normy DIN 51 381, podle které musí hydraulický olej

odloučit vzduch nejpozději do 10 min.). V tab.4.1 jsou uvedeny příklady odlučitelnosti

vzduchu různých druhů olejů o různých viskozitách [1]. Na obr. 4.1 jsou uvedeny průběhy

rychlosti odlučování vzduchových bublin za klidu při různém tlaku a při teplotě 50°C. Na

obr.4.1 je uvedena stoupavost bublin v závislosti na jejich průměru a viskozitě oleje.

tab. 4.1 Doba poklesu obsahu vzduchu na 0,2% při teplotě 50°C

viskózní třída VG olej HL olej HLP olej HLPD

32 2 min 3 min 6 min

46 3 min 5 min 9 min

68 4 min 7 – 9 min 12 – 15 min

obr. 4.1 Rychlost odlučování vzduchových bublin z hydraulického oleje [1]

32

obr.4.2 Stoupavost bublin v minerálním oleji [1]

Pěnivost kapalin

Pěnivost je důsledkem povrchového napětí kapaliny vůči vzduchu. Na tvorbu pěny má

vliv také vlhkost. K pěnění mají větší sklon oleje s vyšší viskozitou a oxidačně zestárlé oleje,

u kterých je vylučování vzduchu pomalejší [2]. Pro snížení pěnivosti se do kapalin přidávají

protipěnovostní přísady (např. malé množství metylsilikonového oleje), které zmenšují

povrchové napětí. Díky tomu tyto přísady zabraňují tvorbě pěny, případně rozrušují již

vzniklou pěnu. Použití protipěnivostních přísad je důležité zejména u hydraulických obvodů

s vysokými oběhovými čísly (např. u mobilních strojů), tedy tam, kde kapalina nemá možnost

dostatečného uklidnění v nádrži. Dále je nutné tyto přísady použít v hydrodynamických

převodech (spojky, měniče). Pěnivost mazacích olejů se zkouší podle normy ČSN ISO 6247.

Kavitace a nepravá kavitace

Kavitace je nepříznivý jev, který může vést až k úplné destrukci některých částí

hydraulického systému. Protože se jedná o velmi složitý proces, který je popsán v odborné

literatuře např. [12], budeme se na tomto místě zabývat pouze základními principy vzniku

kavitace a jejím důsledkům, tedy kavitačnímu opotřebení.

Za určitých podmínek vznikají v proudící kapalině dutiny, které jsou vyplněny parami

proudící kapaliny nebo plynem, nejčastěji vzduchem. K touto dochází především za sníženého

tlaku, svoji roli zde ale sehrává i teplota kapaliny. Nejčastějším místem v hydraulickém

systému, kde může ke vzniku dutin (bublin) dojít je sací potrubí, nebezpečná jsou však

33

z tohoto pohledu i zúžení průtočného průřezu jako clony, hrany řídicích prvků, mezery apod.

U hydraulických strojů pracujících s vodou případně s vodními emulzemi jsou dutiny

vyplněny vodní párou. V těchto případech je podmínkou vzniku kavitace pokles tlaku

kapaliny pod tlak nasycených par při dané teplotě. U olejů, případně jiných pracovních

kapalin, dochází v místech se sníženým tlakem k vylučování rozpuštěného vzduchu a dutiny

jsou tedy tvořeny převážně vzduchem. V těchto případech hovoříme o tzv. nepravé kavitaci či

aeraci.

Vzniklé bubliny potom putují spolu s kapalinou do oblasti s vyšším tlakem, např. ze

sacího potrubí do hydrogenerátoru. Zde jsou bubliny prudce stlačovány, páry kondenzují, část

plynů difunduje do kapaliny, bubliny se rychle smršťují, tzv. implodují. Do uvolněného

prostoru vniká okolní kapalina a zbytek plynů je déle stlačován. Předpokládá se, že setkáním

stěn deformované bubliny dochází k rázům a vzniku tlakových vln. Maximální hodnota takto

vzniklých tlakových vln může dosáhnout až Pa9103 × [12]. K zániku bublin dochází

nejčastěji na nerovnostech stěn. Tlakové vlny tedy působí bezprostředně na materiál stěn

hydrogenerátoru apod., přičemž vyvolávají změnu tvaru, struktury a složení povrchových

vrstev. Dochází zde ke změnám napětí v materiálu, vzniku trhlin a následně k oddělování

částic, čemuž se říká kavitační eroze. Jak již bylo uvedeno, kavitace je složitý děj a kromě

uvedených vlivů mechanických se ve větší či menší míře projevují i vlivy chemické, tepelné,

elektrochemické atd. Tím se již však dále nebudeme zabývat.

V případě nepravé kavitace (především u olejů) ale dochází ještě k dalšímu

nežádoucímu jevu. Bubliny vzniklé v oblasti nižšího tlaku obsahují kromě vzduchu i těkavé

uhlovodíky uvolněné z oleje. Při prudkém stlačení bublin se jejich vnitřní teplota může zvýšit

až na C°4000 . Část tepla je odvedena do okolní kapaliny, ale vlivem zvýšené teploty dojde

ke vznícení směsi uhlovodíků a kyslíku obsaženého ve vzduchu. Výsledkem hoření jsou

kyselé zplodiny (saze), které mají vliv na stárnutí kapaliny. Navíc mohou saze zalepit filtry,

případně jiné části mechanismu jako šoupátka řídicích prvků apod.

4.3 Vliv vody v pracovní kapalině

Voda se v pracovních kapalinách může vyskytovat jako rozpuštěná nebo nerozpuštěná

ve formě emulze, suspenze nebo kondenzátu. Pokud není voda s jinou kapalinou smíšena

záměrně (vodní emulze), pak je v pracovní kapalině nežádoucí, protože způsobuje celou řadu

problémů. Všechny pracovní kapaliny hydraulických mechanismů mají schopnost absorbovat

vodu (podobně jako vzduch). Množství absorbované vody je závislé na základní surovině

34

kapalin, viskozitě, komplexních přísadách a teplotě. Maximální množství vody, které se

v kapalině rozpustí se nazývá saturační hladina. Tato roste s teplotou a pro hydraulické oleje

je 200 až 300 ppm [4]. Jestliže se olej nasytí vodou a při stejné vzdušné vlhkosti klesne

teplota oleje, dojde k desorpci vody a začnou se vytvářet kapky.

Voda je v podstatě nečistota, protože urychluje oxidaci pracovních kapalin, může mít

rozkladný účinek na aditiva. Reakcemi vznikají pryskyřice a kaly, které mohou zanést nebo

zalepit některé části mechanismu. Voda navíc podporuje růst mikroorganismů. Dalším

problémem je, že voda působí korozívně na kovové části mechanismu, zhoršuje mazání,

bublinky vodní páry zvyšují riziko kavitace atd.

Voda s olejem vytváří emulzi, proto se do olejů přidávají deemulgační přísady, které

tvorbě emulze zabraňují. Pokud je použitou pracovní kapalinou emulze, pak se naopak

přidávají přísady podporující tvorbu a stálost emulze, tzv. emulgátory.

5. Vlastnosti nenewtonských kapalin

V první kapitole již bylo uvedeno rozdělení kapalin podle závislosti tečného napětí na

gradientu rychlosti a byly probrány vlastnosti newtonských kapalin. V této kapitole se

zaměříme na kapaliny nenewtonské a jejich specifické vlastnosti při proudění.

5.1 Rozdělení nenewtonských kapalin

Poměr tečného napětí a gradientu rychlosti u newtonských kapalin je při laminárním

proudění konstantní a vyjadřuje dynamickou viskozitu. U nenewtonských kapalin tento poměr

není konstantní a zavádí se pro něj název zdánlivá viskozita.

dyduA

tm = (5.1)

Protože zdánlivá viskozita není látkovou konstantou, je třeba v případě nenewtonských

kapalin uvádět grafickou závislost tečného napětí na gradientu rychlosti, tedy tzv. tokovou

křivku nebo též reogram, obr. 5.1.

35

t

t p

t p

obr. 5.1 Reogramy nenewtonských kapalin

Kapaliny označované jako pseudoplastické se vyznačují poklesem zdánlivé viskozity

s rostoucím gradientem rychlosti, říká se jim rovněž řídnoucí kapaliny. Mezi tyto kapaliny

patří např. suspenze nesouměrných částic, suspenze papíru, kaly, pasty, taveniny, kaučuky,

barvy, mazadla atd.

t mA

obr. 5.2 Toková křivka pseudoplastické kapaliny obr. 5.3 Změna zdánlivé viskozity pseudoplastické

kapaliny v závislosti na gradientu rychlosti

Řídnutí těchto kapalin lze vysvětlit následně. V klidu jsou nesouměrné částice

náhodně rozmístěny, přičemž orientace jejich hlavních os je různá. S rostoucím rychlostním

gradientem se částice (nebo molekuly) vyrovnávají a orientují se hlavními osami do směru

pohybu, obr. 5.4. S rostoucím gradientem rychlosti zdánlivá viskozita klesá až k hodnotě, při

níž je dosaženo dokonalého uspořádání částic. Od této hodnoty se zdánlivá viskozita již dále

nemění a závislost tečného napětí na gradientu rychlosti je dále lineární.

36

obr. 5.4 Řídnoucí kapaliny

Hypotéza pseudoplastického chování předpokládá, že změna orientace částic nastane

okamžitě nebo ve velmi krátké době. Jestliže je však při namáhání kapaliny konstantním

smykovým napětím ke zmenšování zdánlivé viskozity potřebná určitá doba, nazývají se tyto

kapaliny jako tixotropní. Pokud pak kapalinu necháme v klidu, původní struktura se pomalu

obnoví a zdánlivá viskozita se asymptoticky blíží původní hodnotě, obr. 5.5. U některých

pseudoplastických, ale i skutečných plastických kapalin, je tixotropní chování zřetelně

pozorovatelné na tokové křivce, kde se objeví hysterezní smyčka, obr. 5.6. Průběh tokové

křivky při zvyšování napětí je jiný, než při jeho snižování. To lze vysvětlit jednoduše tak, že

kapalina se při zvyšování napětí promíchá, zdánlivá viskozita poklesne a kapalina již při

snižování neklade tak velký odpor.

mA

t t

obr. 5.5 Změna zdánlivé viskozity tixotropní kapaliny

v čase

obr. 5.6 Hystereze na tokové křivce tixotropní

kapaliny

Opačným chováním oproti pseudoplastickým kapalinám se vyznačují kapaliny

dilatační. Ty jsou charakteristické zvyšováním zdánlivé viskozity v závislosti na tečném

napětí. Říká se jim rovněž kapaliny houstnoucí. Jsou to např. některé tiskařské barvy,

rozpouštědla barev, škrobové mazy, beton, arabská guma, med atd.

37

t m A

obr. 5.7 Toková křivka dilatační kapaliny obr. 5.8 Změna zdánlivé viskozity dilatační kapaliny

v závislosti na gradientu rychlosti

Zvyšování zdánlivé viskozity lze vysvětlit následně. Za klidu je objem dutin mezi

částicemi suspenze minimální a objem okolní kapaliny dostačuje právě k vyplnění těchto

mezer. Při malých rychlostech pohybu (malém rychlostním gradientu) kapalina působí jako

mazivo a tečné napětí je malé. Se zvyšujícím se rychlostním gradientu se uspořádání částic

změní na vrstvovité, suspenze se mírně roztáhne (dilatuje) a prostor mezi částicemi se zvětší,

obr. 5.9. Následkem je nedostatek „mazací kapaliny“, dochází k přímému kontaktu částic a

zvyšuje se tečné napětí [3]. Dilatace suspenze tedy způsobuje rychlý nárůst zdánlivé viskozity

kapaliny v závislosti na gradientu rychlosti, obr. 5.8. Výskyt těchto kapalin v technické praxi

je velmi malý.

obr. 5.9 Dilatační kapalina za klidu a pohybu

Jestliže nárůst zdánlivé viskozity bude nastávat s časovým zpožděním, nazývá se tento

jev reopexie. V tomto případě tedy nastává postupné zvyšování zdánlivé viskozity v čase.

Pokud potom kapalinu ponecháme v klidu, zdánlivá viskozita se navrátí na původní hodnotu.

V grafu závislosti tečného napětí na gradientu rychlosti se reopexie projeví hysterezní

smyčkou, podobně jako u tixotropie. Rozdíl je ale ve směru nárůstu a poklesu tokové křivky,

v tomto případě proti směru hodinových ručiček.

38

t

obr. 5.10 Hystereze na tokové křivce reopektické kapaliny

Posledními nenewtonskými kapalinami jsou kapaliny plastické. Ty lze rozdělit na

ideální nebo též Binghamovi kapaliny a skutečné plastické kapaliny (nebinghamovské).

Plastické kapaliny se vyznačují tím, že v klidu mají trojrozměrnou strukturu a chovají

se jako pevné látky. Jsou schopny odolávat napětí do určité hodnoty, která je nazývána mez

toku nebo počáteční napětí pt . Teprve po překročení této hodnoty začíná kapalina téct. U

ideální plastické kapaliny je potom závislost tečného napětí na gradientu rychlosti lineární.

Zdánlivá viskozita má konstantní hodnotu a je nazývána Binghamova viskozita. U skutečných

plastických maziv je průběh tokové křivky po překročení pt nelineární, podobně jako u

pseudoplastických kapalin. Do kategorie plastických kapalin patří např. kašovité a zrnité

suspenze, průmyslové a odpadní kaly, bahno, pasty, plastická maziva apod.

t

t p

t p

obr. 5.11 Tokové křivky ideální a skutečné plastické kapaliny

39

5.2 Reometrie a reologické modely

Vlastnosti nenewtonských kapalin nelze určit výpočtem, ale je třeba provést měření.

Tím se zabývá reometrie a k měření jsou využívány především rotační reometry, které již byly

popsány v kapitole 2. Měřením zjistíme řadu bodů závislosti tečného napětí na gradientu

rychlosti, které je poté třeba proložit vhodným reologickým modelem, pomocí něhož lze

následně provádět další výpočty.

Reologických modelů je v odborné literatuře uvedena celá řada, zde však budou

uvedeny jen základní. Nejstaršími reologickými modely jsou mocninné rovnice toku, z nichž

je nejčastěji používána formulace dle Ostwalda a de Waelean

dyduk ÷÷

ø

öççè

æ×=t (5.2)

kde k je součinitel konzistence a n je index toku (pro newtonské kapaliny 1=n ,

pseudoplastické 1<n , dilatační 1>n jak bylo uvedeno na obr. 5.1). Obě hodnoty se zjišťují

z naměřených hodnot.

Mocninný model není vhodný pro plastické kapaliny. Chováním plastických kapalin

se zabýval mimo jiné Bingham, který formuloval model pro ideální plastickou kapalinu, tzv.

Binghamův model

÷÷ø

öççè

æ×+=

dydu

Bp mtt (5.3)

kde pt je počáteční tečné napětí a Bm je tzv. binghamova viskozita. Je to vlastně směrnice

přímky podobně jako u newtonské kapaliny.

Pro většinu skutečných plastických kapalin ale uvedený model nevyhovuje, proto byla

sestavena řada jiných, z nichž nejpoužívanější je Bulkley-Herschelův modeln

p dyduk ÷÷

ø

öççè

æ×+= tt (5.4)

kde pt je počáteční tečné napětí, k součinitel konzistence a n index toku.

40

6. Vlastnosti a parametry stlačeného vzduchu

Stlačený vzduch, který se používá jako pracovní médium v pneumatických

mechanismech, má oproti kapalinám řadu rozdílných vlastností. Tyto rozdíly je třeba si vždy

uvědomit, protože mohou vést ke značným chybám nejen při výpočtech pneumatických

mechanismů, ale také při jejich měření.

6.1 Kvalita vzduchu

Pro správnou funkci pneumatických mechanismů je třeba, aby byl stlačený vzduch

zbaven mechanických nečistot a vody. S rozvojem materiálů pneumatických prvků se

v posledních letech upouští od mazání stlačeného vzduchu. Kvalita stlačeného vzduchu je

předepsána normou ČSNISO 8573-1, která stanovuje 7 tříd znečištění pevnými částicemi,

množství vlhkosti a oleje, tab. 6.1. Pro pneumatické mechanismy je dostačující třída 4,

případně 5.

tab. 6.1 Tabulka kvality stlačeného vzduchu

třída mechanické částice obsah vody obsah olejemax.

velikostčástic[ ]mm

max. koncentracečástic

[ ]3-×mmg

max. rosnýbod[ ]C°

max.koncentrace

oleje[ ]3-×mmg

1 0,1 0,1 -70 0,012 1 1 -40 0,13 5 5 -20 14 15 8 +3 55 40 10 +7 256 - - +10 -7 - - nedefinováno -

6.2 Stav vzduchu – stavová rovnice

Stav vzduchu je určen dvěma ze tří určujících stavových veličin, jimiž jsou tlak p ,

teplota T a měrný objem v (příp. hustota r ). Při všech výpočtech pneumatických

mechanismů je třeba mít na paměti, že zde dochází k termodynamickým dějům a je tedy třeba

respektovat termodynamické zákony. Užití těchto všeobecně platných zákonů je však složité a

často i zbytečné. Pro inženýrské výpočty lze s dostatečnou přesností považovat vzduch za

ideální plyn (stlačitelný bez vnitřního tření a vlhkosti) a pneumatický mechanismus za

uzavřený systém (hmotnostní tok·

m je konstantní).

41

Stavovou rovnici lze vyjádřit několika způsoby – a) pro 1 kg plynu, b) pro hmotnost plynu m,

nebo c) po vydělení rovnice hmotností pro měrný objem v/m, což je hustota plynu ρ:

a) Trvpa ×=× ; b) TrmVpa ××=× ; c) Trpa ×=r

(6.1)

kde r je plynová konstanta a pro vzduch má hodnotu 119286 -- ××= KkgJ,r . Zbývající

parametry jsou vzájemně vázány funkčními závislostmi. Pro další zjednodušení se vždy jedna

z hodnot považuje za konstantní.

6.3 Tlak vzduchu

V technice stlačených plynů je důležité správně rozlišovat tlak absolutní a relativní,

čili přetlak či podtlak, obr. 6.1.

Absolutní tlak ap – je udáván od absolutního vakua.

Atmosférický (též barometrický) tlak atmp – je absolutní tlak atmosféry, používá se jako

relativní nula – vztažná hodnota pro přetlak a podtlak.

Přetlak p – je udáván přírůstkem tlaku vzhledem k atmosférickému tlaku atma ppp -= .

Podtlak (vakuum) vkp – je udáván vzhledem k atmosférickému tlaku, nejčastěji v % vakua,

což je hodnota 100×atm

vk

pp .

vakuum

absolutní tlak p

0absolutní tlak p

relativní tlak - podtlak p

relativní tlak - přetlak p

(absolutní tlak atmosféry)atmatmosférický tlak p

0

(absolutní nula)

(relativní nula)

a

a

vk

obr. 6.1 Označení tlaku

Do termodynamických výpočtů se dosazuje tlak absolutní ( ppp atma += ), zatímco

v parametrických výpočtech pneumatických mechanismů se nejčastěji počítá s přetlakem p a

u vakuových mechanismů s podtlakem vkp . Při výpočtech se neuvažuje kolísání

atmosférického tlaku. Ten se považuje za konstantní.

42

6.4 Teplota

Teplota je druhou stavovou veličinou plynu. Do termodynamických výpočtů se

dosazuje teplota absolutní T , jejíž jednotkou je Kelvin [ ]K . Vztah mezi Kelvinovou a

Celsiovou stupnicí je ( )15273015273 K,C,tT =°+= . Pro zjednodušení výpočtů se právě

teplota často považuje za konstantní. Stejně jako tlak, je teplota důležitá při definování

normálního stavu.

6.5 Normální (normovaný) stav

Vzhledem k závislosti objemu a objemového průtoku na tlaku a teplotě, je nutné jej

uvádět přepočten na normální (normovaný) stav. Normální stav je určen tlakem a teplotou.

Jsou definovány dva normální stavy: fyzikální a technický. Hodnoty tlaku a teploty pro

fyzikální normální stav jsou PapN 101325= a K,TN 15273= . Tento stav je definován např.

normou DIN 1343. Pro výpočty pneumatických mechanismů se častěji používá technický

normální stav, definovaný např. normou DIN 1945, kde Papn 101 5×= a K,Tn 15293= .

6.6 Rovnice kontinuity, hmotnostní průtok, objemový průtok

Protože vzduch je stlačitelné médium, je pro vyčíslení protékajícího množství vhodné

používat hmotnostní průtok, který samozřejmě není závislý na tlaku a teplotě vzduchu a

nemůže zde tedy dojít k záměně či chybě při přepočtu na aktuální pracovní podmínky.

Hmotnostní průtok lze vyjádřit rovnicí

dtdmm =

·

[ ]1-× skg (6.2)

Pokud známe objemový průtok daným průřezem a hustotu v tomto místě, lze rovnici

hmotnostního průtoku (rovnici kontinuity pro stlačitelné médium) napsat ve tvaru

rr ××=×=·

vSQm [ ]1-× skg (6.3)

Pro parametrické výpočty pneumatických mechanismů však není toto vyjádření vhodné. Proto

se používá hodnota objemového průtoku přepočteného na normální stav, tedy normální

objemový průtok. Ten vychází z rovnice kontinuity a stavové rovnice

n

nna

TRQp

TRQp.konstm

××

=××

==·

[ ]1-× skg (6.4)

odkud bude

43

TpTpQQ

n

nan ×

××= [ ]13 -× smn (6.5)

Takto jsou uváděny např. hodnoty průtoků u pneumatických prvků v katalozích výrobců ( NQ ,

nQ , nq ). Tyto hodnoty také uvádějí tzv. jmenovitý průtok, na který jsou prvky konstruovány a

jehož hodnota se používá při projektování pneumatických obvodů. Velikost průtoku

přepočteného na normální podmínky je uváděna např. v normálních metrech krychlových za

sekundu [ ]13 -× smn nebo jiné jednotce průtoku s indexem „n“ u jednotky objemu. Stejně jako

průtok lze vypočítat i normální objem nV , kde jednotkou je normální metr krychlový, tedy

[ ]3nm nebo jiné jednotky objemu např. normální litr [ ]nl .

TpTpVV

n

nan ×

××= [ ]3

nm (6.6)

6.7 Hustota

Hustota vzduchu je určována stavovou rovnicí (6.1), z níž plyne i složitost její

závislosti na teplotě a zejména na tlaku. Pro výpočet hustoty při jiných než normálních

podmínkách lze napsat vztah

TpTp

n

nan ×

××= rr [ ]3-×mkg (6.7)

Ve vzorci (6.7) je hustota vzduchu za normálních podmínek 31891 -×= mkg,nr při tlaku

Papn5101×= a teplotě K,Tn 15293= . Na obr. 6.2 jsou uvedeny průběhy hustoty v závislosti

na tlaku při dvou různých teplotách. Z průběhů lze vyčíst silnou lineární závislost hustoty na

pracovním tlaku a pouze mírnou závislost na teplotě. (Pozn. Pokud zanedbáme změnu teploty,

potom se je hustota pouze funkcí tlaku a dojdeme ke vztahu an p×= rr , kde tlak ap je

absolutní pracovní tlak dosazený v [ ]bar .)

0

5

10

15

20

25

1 6 11 16 21

Tlak p a [105 Pa ]

Hus

tota

vzd

uchuρ

[ kg.

m-3

]

r t=0°C

r t=20°C

obr. 6.2 Graf závislosti hustoty vzduchu na tlaku

44

V tab. 6.2 jsou uvedeny hodnoty hustoty vzduchu pro vybrané hodnoty tlaku a teploty.

Pneumatické mechanismy pracují nejčastěji při teplotách blízkých normálnímu stavu ( C°20 ).

Jak již bylo uvedeno, změna hustoty vzduchu s teplotou není příliš výrazná a proto ji lze pro

obvyklé pracovní tlaky do Pap 6101 ×= z důvodu zjednodušení výpočtů zanedbat.

tab. 6.2 Hustota vzduchu v [ ]3-×mkg v závislosti na tlaku a teplotě

abs. tlak teplota t [ ]C°

[ ]Papa510 0 20 50 100

1 1.276 1.189 1.079 0.934

1.01325 1.293 1.205 1.093 0.946

5 6.380 5.945 5.393 4.670

10 12.761 11.890 10.786 9.341

15 19.141 17.835 16.179 14.011

20 25.521 23.780 21.572 18.682

6.8 Viskozita

Viskozita je důsledkem vnitřního tření při pohybu částic a vrstev tekutin. Jak

dynamická, tak i kinematická viskozita je opět závislá na tlaku a teplotě. Pro technický

normální stav ( Papn5101×= a K,Tn 15293= ) je hodnota dynamické viskozity vzduchu

sPa,n ××= -104918 6h . Pro teploty do KT 325= je možné provést přepočet dynamické

viskozity podle následujícího vzorce [7]:

750 ,

nn T

T÷÷ø

öççè

æ×=hh [ ]sPa × (6.8)

Na obr. 6.3 jsou uvedeny průběhy dynamické viskozity v závislosti na tlaku při teplotách

Ct °= 0 a Ct °= 20 . Protože se dynamická viskozita pro tlaky běžně používané

v pneumatických mechanismech příliš nemění (do Pap 6101 ×= ), lze její změnu pro běžné

výpočty zanedbat a považovat ji tak při dané teplotě za konstantní.

45

1717.5

1818.5

1919.5

1 6 11 16 21

Tlak p a [105 Pa ]

Dyn

amic

ká v

isko

zita

η [1

0-6Pa

.s]

ηt=0°C

ηt=20°C

obr. 6.3 Graf závislosti dynamické viskozity na tlaku

Kinematická viskozita je závislá na hustotě podle vztahurh

n = a po dosazení za hustotu do

stavové rovnice lze psát

apTR ×

×=hn [ ]12 -× sm (6.9)

odkud plyne, že kinematická viskozita vzduchu roste s teplotou a klesá s tlakem. Její hodnota

pro technický normální stav je 126105615 -- ××= sm,nn . Pokud, jak již bylo uvedeno, budeme

dynamickou viskozitu považovat pro běžné tlaky za konstantní, lze pro výpočet hodnoty

kinematické viskozity při jiném, než barometrickém tlaku napsat vztah

na

nn Tp

Tp××

×=nn [ ]12 -× sm (6.10)

Na obr. 6.4 je zobrazen graf závislosti kinematické viskozity na tlaku při teplotách Ct °= 0 a

Ct °= 20 . Z průběhů je opět zřejmá pouze mírná závislost na teplotě a proto ji i v tomto

případě lze pro zjednodušení výpočtů zanedbat.

0

4

8

12

16

1 6 11 16 21

Tlak p a [105 Pa ]

Kine

mat

ická

vis

kozi

tan

[10-6

m2.

s-1]

nt=20°Cnt=0°C

obr. 6.4 Graf závislosti kinematické viskozity na tlaku

Z předchozího je zřejmé, že průtok, hustota, a viskozita jsou závislé především na

pracovním tlaku. Protože pneumatické mechanismy jsou provozovány za teplot blízkých

normální teplotě, lze závislost na teplotě zanedbat.

46

6.9 Vratné děje (stavové změny)

Jak již bylo uvedeno mohou nastat jevy, při nichž jedna ze stavových veličin zůstává

konstantní a další se mění. Těmto jevům se říká stavové změny, nebo změny stavu plynu a

jsou uvedeny v tab. 6.3.

Pro popis pomalu probíhajících dějů lze u pneumatických mechanismů použít rovnici

izotermického děje. Naopak pro rychlé změny lze použít rovnici adiabatického děje, kde

41,=k , nebo rovnici polytropického děje. Křivka polytropy leží mezi izotermou a adiabatou

(v obr. 6.5 vyznačena čerchovaně). Na obr. 6.5 jsou znázorněny průběhy všech uvedených

stavových změn v Vp - diagramu.

p

v

izotermický děj

izobarický děj

izochorický

adiabatický dějpolytropický děj

obr. 6.5 Stavové změny

V tab. 6.3 jsou uvedeny i vztahy pro absolutní a technickou práci. Absolutní (vnější) práce je

dána změnou objemu dV při tlaku p . Expanduje-li plyn z objemu 1V na 2V , vykoná se práce

ò ×=2

1

dVpAa (6.11)

Pokud platí 12 VV > je aA absolutní prací expanzní, pokud je 12 VV < je aA absolutní prací

kompresní.

Technickou práci obdržíme při expanzi plynu z tlaku 1p na 2p

ò ×=2

1

dpVAt (6.12)

obr. 6.6 Absolutní a technická práce

děj

47

tab. 6.3 Stavové změny

48

6.10 Nevratné děje

Příkladem nevratného děje může být např. škrcení plynu, které nastává při průtoku

vzduchu pneumatickými prvky. Škrcení je složitý proces, při kterém se entalpie soustavy h

mění, ale na vstupu a výstupu ze soustavy má stejnou hodnotu, takže se škrcení ideálního

plynu jeví jako izotermický děj, obr. 6.7. V důsledku nevratné expanze v místě zúžení a

nevratné komprese za místem zúžení však dochází ke změně entropie soustavy s , což se

projeví úbytkem tlaku pD .

h

s

1p2

p

škrcení

izotermický děj

1 2

a)

Dpp

p

p

x

1

2

1w 2w

1 2

b)

obr.6.7 Škrcení plynu a) h-s diagram, b) tlaková ztráta

Při škrcení skutečných plynů se teplota na rozdíl od ideálních plynů mění, ačkoliv součet

energií je stálý a tento jev se označuje jako Joule-Thompsonův efekt. Tento jev má význam

při strojním chlazení, zkapalňování a dělení plynů: pokud je výchozí teplota plynu nižší, než

je jeho tzv. teplota inverzní (pro vzduch C°+ 377 ), po seškrcení teplota klesá a obráceně.

V oblasti pneumatických mechanismů lze ale poměrně složité případy škrcení plynu jen

s malou chybou považovat za škrcení plynu ideálního. Pro popis tohoto jevu je potom

postačující rovnice pro výpočet místních tlakových ztrát

1

21

2rz ××=

wp z [ ]Pa (6.13)

kde z je součinitel místní ztráty, který vyjadřuje vliv odporu proti proudění vzduchu, 1w a

1r jsou hodnoty rychlosti proudění a hustoty před odporem.

49

6.11 Vlhkost vzduchu

Vlhkost vzduchu je rovněž významná vlastnost. Vzduch dodávaný kompresorem

obsahuje vodní páru, která může v pneumatickém systému kondenzovat. Voda potom může

negativně ovlivnit funkci mechanismu, způsobovat korozi apod., proto je nutné vodní páru ze

vzduchu odstranit.

Vlhkost nasávaného vzduchu závisí na tlaku a teplotě. Čím je tlak vzduchu nižší, tím

více vodní páry muže obsahovat. Snižuje-li se teplota při konstantním tlaku, dosáhne se

kritického bodu nasycení vodními parami, při které začne vodní pára kondenzovat. Tato

teplota je označována jako rosný bod. Se zvyšujícím se tlakem rosný bod roste. Např. rosný

bod 3°C při tlaku 0,7MPa (tlakový rosný bod) odpovídá při atmosférickém tlaku rosnému

bodu -21°C (atmosférický rosný bod).

Relativní vlhkost vzduchu je v procentech vyjádřený poměr mezi aktuálním obsahem

vody ve vzduchu k obsahu vody při rosném bodu.

tab. 6.4 Obsah vody ve vzduchu při daném rosném bodu

7. Hydraulické oleje

Za tímto obecným názvem se skrývají pracovní kapaliny vyrobené různým způsobem

a z různých surovin. Je proto třeba dále rozlišit, zda se jedná o oleje minerální, polosyntetické,

syntetické, nebo rostlinné. Každá tato skupina má svá specifika a různé vlastnosti. V této

kapitole budou probrány především oleje minerální, které jsou v současné době

nejpoužívanější.

7.1 Výroba základních olejů

Základní, nebo též základové oleje, jsou produkty rafinace, nebo jiného výrobního

postupu. Pro dosažení požadovaných vlastností jsou potom do základních olejů přidávány

různé přísady.

50

Minerální oleje (rafináty)

Minerální oleje jsou získávány z ropy rafinací. Při rafinaci jsou od sebe odděleny

jednotlivé frakce ropy podle délky uhlovodíků. Prvním krokem je destilace. Při té se ropa

zahřeje při atmosférickém tlaku. Jednotlivé frakce se odpařují a následně při různých

teplotách kondenzují. Takto lze z ropy získat benzín (C5 – C12 – počet uhlíku v molekule),

naftu a lehký topný olej (C10 – C20). Delší uhlovodíky se již neodpaří a následuje další krok,

kterým je vakuová destilace. Proces je stejný jako v prvním kroku, pouze za sníženého tlaku.

Výsledkem jsou především oleje o různé viskozitě (C20 – C35 mazací oleje, C35 – C80 těžký

topný olej). Zbytkem je potom ropný asfalt. Oleje jsou dále zušlechťovány – rafinovány.

V tomto kroku jsou odstraněny nežádoucí příměsi a upravena struktura uhlovodíků, čímž

dojde ke zlepšení vlastností olejů. Čtvrtým krokem je odparafinování – odstranění parafínů,

které zhoršují nízkoteplotní vlastnosti.

Hydrokrakované oleje

Hydrokrakované oleje jsou vyráběny z delších uhlovodíků (C35 a více). Prvním

krokem je rozštěpení (krakování) dlouhých řetězců uhlovodíků a vložení atomů vodíku na

místa štěpení (hydratace). Vakuovou destilací se potom produkt hydrokrakování rozdělí na

oleje o různých viskozitách a posledním krokem je odparafinování.

Syntetické uhlovodíky

Jsou vyráběny syntézou (slučováním) krátkých uhlovodíkových molekul. Prvním

krokem je rozštěpení molekul benzínu na eten (C2H2) nebo buten (C4H8). Z těchto

základních stavebních jednotek je potom slučováním sestaven Poly-alfa-Olefin (PAO), resp.

Poly-iso-Buten (PIB). Následuje vakuová destilace a u PAO ještě hydrogenace, čímž se zlepší

vlastnosti oleje. Ve srovnání s ropnými oleji mají následující výhody:

1) mohou pracovat v širokém rozsahu teplot a to i při extrémně nízkých (až -50°C)

2) vysoká termooxidační stálost i za vysokých teplot

3) 2 až 5 krát větší životnost v závislosti na pracovních podmínkách

4) lepší mazací schopnost

Dále lze zdůraznit i kompatibilitu s ropnými oleji a s nátěry a těsněním, které jsou

používány v systémech s minerálními oleji. Je však nutno konstatovat, že jsou ve srovnání

s minerálními oleji dražší.

51

Syntetické oleje

Jsou to obecně produkty chemických reakcí, jejichž základem ve většině případů

nejsou uhlovodíky, řadí se sem ale i syntetické uhlovodíky. Jedná se především o organické

estery, estery kyseliny fosforečné, polyglykoly, silikáty atd. O některých z nich bude

pojednáno dále.

Rostlinné oleje

Jak již z názvu vyplývá, jedná se o oleje přírodního původu, které je ale třeba ještě

upravit. U nás je nejvíce používán řepkový olej a to především tam, kde hrozí riziko

znečištění životního prostředí. Těmto olejům bude věnována samostatná kapitola.

7.2 Minerální oleje

Výroba minerálních olejů byla popsána výše. Podle vlastností a obsahu aditiv se

minerální oleje rozdělují do tříd. Oleje různých tříd jsou pak vhodné pro určité aplikace.

V Evropě se nejčastěji používá klasifikace podle norem ISO (stejné jako doporučení CETOP)

a DIN, tab. 7.1.

tab. 7.1 Výkonové třídy minerálních olejů

ISO/DIS 6743/4

CETOP RP 91 H

DIN 51 524 obsah aditiv

HH - bez přísad

HL HL přísady proti oxidaci a korozi

HR - jako HL + modifikátor viskozity

HM HLP jako HL + protioděrové přísady

HV HLPV jako HM + modifikátor viskozity

HG - jako HM + přísady proti stisk-slipu

Dle normy DIN se dále některé oleje označují doplňujícími písmeny:

HLP-D jako HLP + detergenty (rozpouštědla usazenin) + disperzanty (rozptylovače)

HLP-M jako HLP, ale s plošší viskózní křivkou

HLP-S jako HLP, ale s velmi plochou viskózní křivkou

Jak již bylo uvedeno v kap. 2, v každé výkonové třídě je osm viskózních tříd, z nichž

nejpoužívanější jsou ISO VG 10, 22, 32, 46, 68, 100.

52

Použití vybraných tříd:

HH – oleje neobsahují přísady, proto jsou náchylné k oxidaci a rovněž mazací

schopnost je omezena. Proto se tyto oleje používají v nenáročných mechanismech malých

výkonů při nízkých až středních tlacích.

HL – obsahují přísady proti oxidaci a korozi, proto je lze použít v mechanismech

s vyšším vývinem tepla (obvody se škrticími ventily, celodenní provoz, vyšší oběhová čísla). I

u těchto olejů je ale omezena mazací schopnost, proto se nehodí tam kde jsou vyšší

požadavky na mazání. Lze je použít v obvodech s pístovými hydromotory do MPa16 a se

zubovými do MPa25 .

HM – obsahují přísady proti oxidaci, korozi a protioděrové přísady, čímž je zlepšena

mazací schopnost a to i při vyšších teplotách a vysokém mechanickém namáhání. Lze je

použít pro vysokotlaké mechanismy (s axiálními pístovými hydrogenerátory MPa4516 - ,

s lamelovými hydrogenerátory MPa,51710 - a s radiálními pístovými hydrogenerátory až

MPa75 ). Kromě uvedených přísad mohou být v oleji zastoupeny i přísady proti pěnění,

tvorbě emulze, detergenty apod. Celkový obsah přísad v oleji bývá %21- , což postačuje pro

většinu aplikací. Pro náročné mechanismy však může být obsah aditiv až %20 , např. u olejů

s vysokým viskozitním indexem (oleje HV). Na obr. 7.1 je uvedeno relativní zastoupení

jednotlivých aditiv v oleji HM (HLP).

obr. 7.1 Relativní obsah přísad z celkového množství aditiv v oleji HLP [8]

HV – tyto oleje obsahují stejná aditiva jako oleje HM, ale navíc obsahují ještě

modifikátory viskozity. Díky tomu mají plošší viskózní křivku (viskozitní index min. 165) a

mohou tedy pracovat ve větším rozmezí teplot a v nechráněném prostředí. Používají se např. u

mobilních pracovních strojů jako celoroční olejová náplň.

53

Kromě uvedených základních druhů olejů nabízejí výrobci i celou řadu olejů

s vlastnostmi dle přání zákazníka. Výrobci dále dodávají speciální hydraulické oleje pro

hydrodynamické převody (spojky, měniče).

V současné době je vývoj hydraulických olejů zaměřen především na prodlužování

jejich životnosti a zlepšení protioděrových vlastností při vysokém namáhání. Tyto požadavky

splňují např. hluboce rafinované minerální oleje nebo kapaliny na syntetické bázi (PAO,

syntetické estery). Dalším způsobem dosažení požadovaných vlastností je účinnější aditivace.

Na druhou stranu jsou na pracovní kapaliny kladeny stále větší nároky na ekologickou

nezávadnost. To vede např. k náhradě aditiv obsahující zinek za aditiva bez něj.

8. Těžkozápalné kapaliny

Jedná se o kapaliny, jejichž podstatou odolnosti proti hoření je obsah vody, nebo

chemický základ kapaliny. Někdy se pro ně používá název nehořlavé kapaliny, což ovšem

není přesné, protože např. u emulzí tvořených vodou a olejem může dojít vlivem zvýšené

teploty k odpaření vody a olejová složka začne hořet. Proto je v těchto případech přesnější

označení kapaliny s omezenou hořlavostí. Používají se v zařízeních a prostředích, kde je

zvýšené riziko vzniku požáru jako např. v hlubinných dolech a hutích, ale i v letectví apod.

Základní rozdělení těchto kapalin podle normy ISO 6071 je následující:

HFA – emulze oleje ve vodě

HFB – emulze vody v oleji

HFC – vodní roztoky polymerů

HFD – syntetické bezvodé kapaliny

Na tomto místě je třeba upozornit na specifika provozu mechanismů pracujících

s vodními emulzemi a roztoky. V první řadě je to rozmezí teplot. U kapalin HFA a HFB

nesmí teplota klesnout pod bod mrazu a u všech kapalin obsahujících vodu pak teplota nesmí

přesáhnout horní hranici, která je asi 50°C. Při vysokých teplotách dochází ke zvýšenému

odpařování vody, čímž se značně zvyšuje riziko kavitace. Vzhledem k tomu, že voda působí

korozívně, je třeba pravidelně sledovat a doplňovat obsah antikorodantů. Ty se používají

v kapalné formě, ale přidávají se i antikorodanty těkavé, které chrání proti korozi např. stěny a

víko nádrže. V poslední době se části mechanismů pracujících s emulzemi stále častěji

vyrábějí z antikorozních materiálů : legované oceli, pryže, plasty, barevné kovy, keramika

apod.

54

Výraznou nevýhodou vody je, že nemá prakticky žádnou mazací schopnost, proto je

životnost použitých zařízení výrazně kratší v porovnání s provozem zařízení v oleji. Z tohoto

důvodu je omezen rozsah použitých tlaků a otáček hydrogenerátorů a hydromotorů.

V tab. 8.1 jsou uvedeny vybrané vlastnosti těžkozápalných kapalin.

tab. 8.1 Vybrané vlastnosti těžkozápalných kapalin

druh kapaliny HFA HFB HFC HFD

odolnost proti hoření velmi dobrá dobrá velmi dobrá dobrá

hustota [ ]3-×mkg 1000 950 1040-1090 1150-1450

provozní rozsah teplot [ ]C° 30 – 50 30 – 50 30 – 50 70 – 90

maximální rozsah teplot [ ]C° 3 – 55 3 – 55 -30 – 50 -25 – 150

kinematická viskozita při C°40

[ ]12 -× smm1 – 2

nestanoveno(není Newt.

kap.)

20 – 70 15 – 70

obsah vody [ ]% 80 – 98 40 – 60 35 – 60 0

životnost ložisek v [ ]%

normální životnosti5 – 10 6 – 15 6 – 18 50 – 100

cenový index vzhledem k oleji

HLP0,1 – 0,25 <2 1,5 – 2 2 – 5

Kapaliny HFA

Jedná se o emulzi oleje ve vodě. Obsah oleje ve směsi se pohybuje nejčastěji do 10%,

v některých případech však může obsah oleje dosáhnout i 20%. Olejové koncentráty, které se

pro výrobu emulze používají, mohou být buď na bázi minerální s emulgačními přísadami

(označení HFA-E) nebo na bázi syntetické (HFA-S). Emulzi lze v obou případech použít

v rozsahu teplot 55až3 C° 3 a pro pracovní tlaky do MPa10 , výjimečně i vyšší. Tyto

kapaliny se vyznačují poměrně nízkou cenou a jsou prakticky nehořlavé. Fyzikálními

vlastnostmi jsou velmi blízké vodě.

Koncentráty na bázi minerálního oleje jsou nerozpustné ve vodě. Za přítomnosti

emulgátorů lze vytvořit emulzi s omezenou stabilitou. Stabilita emulze je ovlivněna jak

vlastnostmi oleje, tak chemickým složením použité vody. Ta by měla být demineralizovaná,

čímž se dosáhne delší stálosti. Ta se pohybuje od jednoho do cca sedmi dnů. U olejů tvořících

55

s vodou mikroemulzi je stálost i větší. Kromě emulgátorů se do kapalin přidávají ještě

inhibitory koroze, baktericidní a protipěnivostní přísady.

Do této skupiny kapalin se řadí např. u nás používaný Emulzín H. V koncentraci

%až, 352 se používá v hydraulických stojkách v hlubinných dolech a v koncentraci %až 73

v mechanizovaných výztužích.

Koncentráty syntetických olejů vytvoří s vodou při koncentraci %až 21 (max. %10 )

mikroemulzi - koloidní suspenzi vysokoviskózních olejových kapiček, která je velmi stabilní.

Běžně se do těchto emulzí přidávají mimo jiné i protioděrové přísady, takže kapalina má i

lepší mazací schopnost. Emulze ze syntetických olejů mají lepší vlastnosti než z minerálních,

jsou ale dražší.

Kapaliny HFB

Jedná se o emulzi vody v oleji. Obsah vody ve směsi je min. %40 , v některých

případech až %60 . Používá se tam, kde jsou kladeny vyšší nároky na mazací schopnost,

navíc také působí méně korozívně. Nevýhodou ale je, že díky vyššímu obsahu oleje jsou

hořlavější než kapaliny HFA. Lze je použít v rozmezí Caž °605 v nízkotlakých a

středotlakých mechanismech do cca MPa16 . Z aplikací této kapaliny lze jmenovat použití

v lisech a kovacích lisech, na britských ostrovech jsou používány při ražbě černého uhlí.

V nás se v dolech nepoužívají, protože nesplňují přísné požadavky báňského předpisu na

nehořlavost. V Německu jsou tyto kapaliny zakázané.

Kapalina HFC

Jedná se především o roztoky vyšších polyethylglykolů s %až 6035 vody. Oproti

emulzím odpadají problémy se stabilitou roztoku. Vyznačují se velmi dobrou odolností proti

hoření a vysokým viskozitním indexem (až 150). Při vyšším obsahu polyglykolu snesou i

nižší teploty, proto je lze použít v rozmezí již od –30°C do 50°C. Vzhledem k vyšší viskozitě

a hustotě vznikají větší tlakové ztráty a v sacím potrubí může dojít ke vzniku kavitace. Pro

zlepšení vlastností se do roztoku přidávají inhibitory koroze, antioxidanty, případně i

protioděrové přísady, mazací schopnost je ale i přes to nízká. Koncentrace kyselých produktů

oxidace nesmí přesáhnout %,150 . Kapaliny HFC lze použít pro středotlaké mechanismy do

MPa16 . Z aplikací lze jmenovat tlakové licí stroje a roztoky s vyšším podílem vody se

používají v dolech.

56

K těsnění těchto kapalin lze použít NBR nebo SBR pryž, Viton aj., není ale vhodná

polyuretanová pryž. Kapaliny HFC jsou agresivní na běžné druhy nátěrů, zinek a kůži.

Rovněž změna olejové náplně na HFC je komplikovaná, protože HFC nejsou mísitelné

s jinými kapalinami.

Protože polyglykoly nejsou toxické, používají se také jako ekologická kapalina.

Kapaliny HFD

Jedná se o syntetické kapaliny bez obsahu vody. Jsou prakticky nehořlavé a

v závislosti na obsahu aditiv je lze použít i pro vyšší tlaky. Těchto kapalin je více druhů a dle

označení je lze rozdělit následně:

HFDR – estery kyseliny fosforečné

HFDS – chlorované bifenyly (v současné době jsou zakázané vzhledem ke karcinogenním

účinkům, jinak ale mají výborné vlastnosti)

HFDT – kombinace HFDR a HFDS

HFDU – jiné složení (silikonové oleje, speciální estery kyseliny uhličité)

Z uvedených druhů má největší význam kapalina HFDR, tedy estery kyseliny

fosforečné. Protože neobsahuje vodu, lze ji použít v širokém rozsahu teplot, Caž °- 15025 .

Nevýhodou této kapaliny je strmá závislost viskozity na teplotě. Má ale antikorozní účinky a

výborné mazací schopnosti. Kapalina reaguje i kovovými povrchy a se železem vytváří

fosfidy a fosfáty s protioděrovými účinky. Podobně jako ostatní kapaliny HFD je náchylná na

přítomnost vody, se kterou hydrolyzuje. Kyselost kapaliny nesmí stoupnout nad

g/mgKOH,30 . Působí agresivně na NBR pryž, proto je třeba použít např. těsnění

z fluorované pryže (Viton). Fyziologicky je málo závadná a je biologicky dobře odbouratelná,

proto se používá i jako ekologická kapalina.

Především vzhledem k vysoké ceně je její použití omezené. Lze ji ale nalézt

v hydraulice letadel, regulátorů parních turbín, svařovacích strojů ale i strojů důlních. Pro

snížení ceny a rovněž pro vylepšení viskozitních vlastností se někdy mísí s minerálními oleji.

Na obr. 8.1 až obr. 8.3 jsou uvedeny průběhy viskozity a hustoty v závislosti na teplotě pro

vybrané kapaliny .

57

obr. 8.1 Závislost kinematické viskozity na teplotě různě

koncentrovaných kapalin HFA

obr. 8.2 Závislost kinematické viskozity na

teplotě pro různé kapaliny

obr. 8.3 Závislost hustoty na teplotě pro různé kapaliny

58

9. Ekologické kapaliny a ekologické vlastnosti

V České republice se ročně spotřebuje 10 – 15 tisíc tun pracovních kapalin. Podíl olejů

na ropné bázi je cca 99%. V posledních letech je ale z ekologických důvodů stále větší tlak na

náhradu minerálních olejů za kapaliny šetrné k životnímu prostředí. To platí zejména tam, kde

při havárii hrozí přímé riziko znečištění vod a půdy a nepříznivé působení na floru a faunu.

Ekologické kapaliny jsou vyžadovány především u zemědělských, lesnických a stavebních

strojů, zařízení vodních elektráren a dalších vodních staveb a rovněž u důlních a dobývacích

strojů.

Voda je fyziologicky a ekologicky neškodná, ostatní pracovní kapaliny mohou více či

méně působit na organismy. Z důsledků škodlivého působení na člověka lze jmenovat:

- kožní onemocnění

- dráždivý účinek na dýchací a jiné orgány

- karcinogennost

Nejčastější jsou kožní onemocnění. Agresivitu minerálních olejů, polyglykolů a zejména

syntetických kapalin nelze podceňovat. Dráždivý účinek mohou mít kyselé zplodiny a saze,

aditiva a řada uhlovodíků.

Dráždivý účinek na dýchací orgány se projevuje zejména tam, kde se kapalina

intenzívně vypařuje. Rovněž některá aditiva jsou těkavé látky a uvolňují se z oleje.

Kapaliny s karcinogenními účinky jsou jako pracovní kapaliny zakázané. Zde lze

uvést již např. zmíněné polychlorované bifenyly (PCB). Minimální množství karcinogenních

látek je obsaženo i v minerálních olejích a mimo jiné i proto je třeba s nimi nakládat jako

s kapalinou nebezpečnou pro životní prostředí.

Ekologické či biologicky snadno rozložitelné kapaliny by měly splňovat určitá

kritéria, která jsou dána zákony a vyhláškami. Pracovní kapaliny které splní požadavky jsou

potom označeny ochrannou známkou „Ekologický výrobek“, nebo evropskou eko-vinětou

„European Eco-Label“. Při testování kapalin se hodnotí, kolik procent látky se rozloží za

stanovenou dobu. K rozkladu dochází působením mikroorganismů, které např. olej rozloží na

vodu a oxid uhličitý jako finální produkty rozkladu. Při tomto procesu dochází k tomu, že

bakterie napřed rozloží původní látku na fragmenty (primární odbourání) a teprve potom tyto

fragmenty rozloží na H2O a CO2 (úplné biologické odbourání). Pro udělení uvedených

označení je důležité, aby nebyla toxická jak původní látka, tak i látky vznikající v průběhu

rozkladu. Podle testu OECD 301 B je požadováno, aby bylo úplně odbouráno 70% látky za

28 dní. V tab. 9.1 jsou uvedeny příklady biologické odbouratelnosti některých kapalin

59

tab. 9.1 Odbouratelnost vybraných hydraulických kapalin

minerální olej PAO syntetické esterypřirozené estery

(nenasycené estery)

úplná biologická

odbouratelnost%3520- %7030- %9585- %95>

Pozn. při znečištění 3-4 g oleje na 1 kg půdy přežívají jen nejodolnější organismy a

regenerace trvá několik let.

Kromě rozložitelnosti se hodnotí také ekotoxicita. „Ekotoxicita je vlastnost látky,

která, když je uvolněna, představuje okamžité nebo pozdní nebezpečí v důsledku zatížení

životního prostředí biologickou akumulací nebo toxickými účinky na biotické systémy.“ [11]

Stanovuje se následně:

Akutní toxicita (lethal concentration) LC50 – udává za podmínek testu procentuální úhyn

přítomných organismů - test 96 LC50 se provádí na rybách po dobu nejméně 96 hod., index u

zkratky znamená procento úhynu z celkového množství pokusných organismů. Musí být větší

než 1100 -× lmg .

Účinná koncentrace (effective concentration) EC50 – při které dochází ke změnám v chování

organismů – test 48 EC50 se provádí na perloočkách po dobu 48 hod. Musí být větší než1100 -× lmg .

Inhibiční koncentrace (inhibition concentration) IC50 – při které dochází k zastavení růstu

organismů – test 72 IC50 se provádí na řasách po dobu 72 hod. Musí být větší než 1100 -× lmg .

Podle výsledků testů ekotoxicity lze potom kapaliny rozdělit do čtyř tříd

nebezpečnosti kapalin pro vodu (Wassergefährungklasse):

WGK 0 – nejsou nebezpečné pro vodu

WGK 1 – slabě nebezpečné pro vodu

WGK 2 – středně nebezpečné pro vodu

WGK 3 – silně nebezpečné pro vodu

Ropné produkty jsou zařazeny do třídy WGK 2 a WGK 3. Pro organismy žijící ve vodě

mohou být nebezpečné i netoxické kapaliny a to tím, že vytvoří na hladině film a brání tak

rozpouštění vzdušného kyslíku ve vodě, případně mohou zablokovat dýchací orgány

živočichů.

60

Dovolená koncentrace ropných látek v pitné vodě je dle ČSN 757111 1050 -× lmg, , což

je maximálně g50 na milion litrů vody.

Podle zákona o chemických látkách, který je v souladu s nařízením Evropského

parlamentu č. 1907/2006 o registraci, hodnocení, povolování a omezování chemických látek

(tzv. REACH), musí mít každá chemická látka a tedy i pracovní kapaliny tzv. bezpečnostní

list. Ten kromě fyzikálních vlastností, chemického složení atd. obsahuje i informace o toxicitě

– působení na člověka a jiné organismy.

Ekologické kapaliny

V současné době se vyrábějí a používají tři hlavní skupiny biologicky rozložitelných

kapalin, které se od sebe liší svým chemickým základem. Pro vylepšení vlastností se do

kapalin přidávají přísady proti oxidaci, korozi, protioděrové apod. Rozdělení a značení

ekologických kapalin je následující:

HETG – rostlinné oleje (staré značení HTG)

HEPG – polyglykoly (staré značení HPG)

HEE – syntetické estery (staré značení HE)

Kromě těchto tří nejpoužívanějších se vyskytují i kapaliny na jiné bázi s označením HX.

V tab. 9.2 jsou uvedeny přibližné hodnoty vybraných vlastností ekologických kapalin.

tab. 9.2 Vybrané vlastnosti ekologických kapalin

řepkový olej polyglykol syntetický

olej

kin. viskozita při 40°C [mm2.s-1] 34 46 46,1

kin. viskozita při 100°C [mm2.s-1] 7,8 8,2 8,4

viskozitní index [ - ] 215 153 191

bod tuhnutí [°C] – 35 – 51 – 58

bod vzplanutí [°C] 250 205 220

hustota [kg.m-3] 920 1100 920

Kapaliny HETG

Jedná se o kapaliny na rostlinné bázi, přičemž nejpoužívanější je řepkový olej.

Základové složky se vyrábějí alkalickou rafinací a dělením surového řepkového oleje.

Řepkový olej je směs různých triglyceridů (odtud označení TG) vyšších nasycených i

nenasycených mastných kyselin. Jedná se o látky silně polarizované s velmi dobrými

61

mazacími schopnostmi. Rovněž závislost viskozity na teplotě je příznivá – viskozitní index je

obvykle vyšší než 200 a mají tak velmi dobré vlastnosti za nízkých teplot. Nejsou toxické a

nedráždí pokožku, třída ohrožení vod je WGK 0, biologická rozložitelnost vyšší než 95%.

Nevýhodou je menší oxidační stabilita. Teplotu systému je nutno udržovat pod 70°C. Při

vyšší teplotě dochází k rychlé degradaci oleje a zvýšenému vzniku pryskyřic a kalů, což může

vést k zalepení některých částí systémů. Uvádí se, že životnost těchto kapalin je asi 2000

provozních hodin, dalším vývojem a úpravami však byla životnost některých kapalin

prodloužena až na 5000 hodin. Vlastnosti rostlinných olejů je možno vylepšit aditivy. Tím se

ale zhoršují ekologické vlastnosti a zvyšuje se jejich cena, které může být až čtyřnásobkem

ceny minerálních olejů.

Kapaliny HEPG

Jedná se o polyglykoly, které byly uvedeny již ve skupině těžce zápalných kapalin.

Pokud se u nich nevyžaduje nehořlavost, sníží se podíl vody na minimum, protože voda

zhoršuje jeho vlastnosti. Polyglykoly mají příznivý průběh viskozity v závislosti na teplotě,

dobrou tekutost za nízkých teplot a výbornou termooxidační stálost. Vzhledem k vyšší

viskozitě a hustotě vznikají větší tlakové ztráty především za nízkých teplot. Třída ohrožení

vod je WGK 0, biologická odbouratelnost 30% - 90%. Jsou rozpustné ve vodě, ale nejsou

mísitelné s minerálními oleji ani kapalinami HETG a HEE.

Kapaliny HEE

Většinou jsou to kapaliny na bázi syntetických esterů, ale do této skupiny bývají

řazeny i tzv. chemicky modifikované rostlinné oleje. Mají příznivý průběh viskozity

v závislosti na teplotě, výborné nízkoteplotní vlastnosti, velmi dobrou mazací schopnost a

dobrou termooxidační stálost. Vlastnosti lze upravovat aditivi, zejména antioxidanty.

Nepůsobí korozívně a k jejich těsnění je možno použít stejné materiály jako pro minerální

oleje. Nejsou toxické, třída ohrožení vod WGK 0 a biologická odbouratelnost je až 95%. Jsou

mísitelné s HTG, ale neslučitelné s vodou. Přes výborné vlastnosti nejsou příliš rozšířené,

protože jsou poměrně drahé.

62

Literatura

[1] Frauenstein, M.: Hinweise über Druckflüssigkeiten für Konstrukteure. Mobil Oil A.G.

Deutschland

[2] Grinč, L.: Pracovné kvapaliny pre hydraulické systémy – Druhy, filtrácia a ekologické aspekty.

Žilina: VŠDS v Žilině. 1994. 151 s. ISBN 80-2100-234-7

[3] Janalík, J.: Potrubní hydraulická a pneumatická doprava. [online]. Ostrava: VŠB-TU Ostrava,

2002. Dostupné z: < http://www.338.vsb.cz/studium9.htm > Cit. 11.9.2009

[4] Kolektiv autorů: Hydraulické kapaliny, filtrace a údržba. Ostrava: Dům techniky Ostrava, spol.

s r.o. 1993. 113 s.

[5] Kopáček, J.: Hydrostatické převodové mechanismy. Praha: SNTL Praha. 1986. 272 s.

[6] Kopáček, J.: Posouzení použití hydraulických rotačních pohonů s provozní kapalinou typu HFA

v hlubinných dolech. Dílčí zpráva projektu FI-IM5/221 – Výzkum a vývoj hydraulického

pohonu určeného do prostředí s mimořádnými nároky na bezpečnost, hygienu a ekologii

[7] Kopáček, J.; Žáček, M: Stlačený vzduch jako konstrukční prvek pneumatických mechanizmů.

Hydraulika a pneumatika, 2003, roč.4, č.2, s.20-22. ISSN 1335-5171

[8] Kříž. P.: Oleje pro nejnáročnější hydraulické systémy. MM Průmyslové spektrum [online].

Dostupné z < http://www.mmspektrum.com/clanek/oleje-pro-nejnarocnejsi-hydraulicke-

systemy >. Citováno 11.9.2009

[9] Kučera, M. Rousek, M.: Objemové zmeny materiálov tesniacich prvkov v ekologicky

priaznivejších hydraulických olejoch. Hydraulika a pneumatika. 1-2/2006. s. 50 – 55. ISSN

1336-7536

[10] Kolektiv autorů: Mechanika tekutin – příručka pro měření. Ostrava: VŠB-TU Ostrava. 1987.

154 s.

[11] Ministerstvo životního prostředí ČR: Směrnice č.15 – Hydraulické kapaliny

[12] Noskievič, J. a kol.: Kavitace v hydraulických strojích a zařízeních. Praha: SNTL Praha. 1990.

336 s. ISBN 80-03-00206-0

[13] Pavlok, B: Hydraulické prvky a systémy – díl 1. Kapaliny v hydraulických mechanismech,

Hydrostatické převodníky. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2001. 156 s. ISBN 80-7078-620-5

[14] Pyknometr. [online] Dostupné z: <http://cs.wikipedia.org/wiki/Pyknometr>. Citováno 11.9.2009

[15] Viscosity index. [online] Dostupné z: http://www.noria.com/learning_center/category_

article.asp?articleid =411&relatedbookgroup=OilAnalysis >. Citováno 11.9.2009

[16] Viskozitní index – laboratorní cvičení. [online] Dostupné z: <http://cesmina.vscht.cz/

trp/images/Dokuments/Navody-na-laboratore/Viskozita-VI-bac.pdf>.Citováno 11.9.2009