Powietrze w układzie hydraulicznym JCB: objawy, przyczyny i usuwanie

Zapowietrzone układy hydrauliczne transmisji mocy sprawiają w praktyce bardzo wiele problemów. Wiedza o niedoskonałościach takich systemów może być bezcenna, jeśli weźmie się pod uwagę możliwość uniknięcia awarii, zwiększanie wydajności, zmniejszenie kosztów eksploatacji, a także znaczne wydłużenie żywotności maszyn i urządzeń przy zmniejszonej stałej czasowej przekazu transmisji mocy. Obecność powietrza w układzie może przyjmować dwie formy: aerację, czyli klasyczne zasysanie powietrza z zewnątrz, oraz kawitację gazową, znacznie bardziej złożone zjawisko, w którym dochodzi do wydzielania się oparów z samego oleju.

Charakterystyka powietrza w oleju hydraulicznym

Olej hydrauliczny jest z założenia cieczą nieściśliwą, co pozwala mu na precyzyjne transmitowanie gigantycznych sił. Powietrze zachowuje się odwrotnie. Drobne pęcherzyki powietrza pod wpływem ciśnienia i temperatury łączą się, co w konsekwencji doprowadza do powstania dużych pęcherzy powietrza o znacznie większej ściśliwości niż olej, w którym są tworzone.

Dyspergencja i koagulacja powietrza

Dyspergencja powietrza w oleju nie jest szkodliwa, ale koagulacja już tak. Każdy impuls transmisji mocy powoduje przemieszczanie się drobinowych pęcherzyków powietrza, które w dogodnym dla nich miejscu tworzą koagulację dużej wielkości pęcherza. Górna granica nasycenia powietrza w oleju zależy od ciśnienia. W miejscach, gdzie następuje spadek ciśnienia, tworzą się pęcherzyki powietrza. Ma to miejsce najczęściej przy zaworach, cylindrach hydraulicznych, pod uszczelnieniami, w miejscach zakuwania węży gumowych, a także przede wszystkim tam, gdzie pod wpływem ciśnienia następuje zwiększenie średnicy przelotu węży gumowych. Jest to bardzo istotne z uwagi na negatywny efekt końcowy objawiający się pękaniem węży hydraulicznych i niszczeniem uszczelek PTFE.

Kawitacja gazowa

Pod wpływem zmian ciśnienia i temperatury dochodzi wewnątrz pęcherzy powietrza do kawitacji gazowej. Należy pamiętać o kawitacji zachodzącej w cieczy w obszarach turbulentnych, gdzie przepływ jest wielkością złożoną wielu czynników i stanowi tzw. przepływ wielofazowy (w tym przypadku oleju i powietrza). Jeżeli w obszarze turbulentnym w oleju znajduje się woda, wówczas w procesie kawitacji staje się ona katalizatorem procesu tworzenia pęcherzy powietrza. W wyniku tego działania dochodzi do depresji dynamicznej, czyli lokalnego gwałtownego spadku ciśnienia statycznego prowadzącego do wrzenia drobin wody, które przechodząc w stan gazowy katalizują pęcherze powietrza. W ten sposób tworzy się kawitacja gazowa, która w wyniku dyfuzji gazu znajdującego się w oleju do istniejących już w nim pęcherzyków powietrza wpływa na ich rozrost.

Przy impulsach transmisji mocy olej jest cieczą o bardzo małej ściśliwości w stosunku do wytworzonych w nim pęcherzy gazowych, gdzie następuje gwałtowny wzrost ich objętości i ciśnienia. W końcowej fazie tego zjawiska dochodzi do implodowania pęcherzy gazowych, objawiając się pękaniem węży gumowych, niszczeniem uszczelek, a także części metalowych maszyn i urządzeń. Jeżeli zapowietrzony olej dotrze do pompy, wówczas nastąpi sprężenie gazu, na skutek którego pompa zmniejszy swoją sprawność.

Olej hydrauliczny to kluczowy element działania układu. Jego brak lub zanieczyszczenia powodują przegrzewanie się pompy i zużycie łożysk.

Objawy powietrza w układzie hydraulicznym

Zapowietrzony układ hydrauliczny daje o sobie znać w postaci drgań, wibracji i hałasu. Kiedy operator koparki czy prasy przemysłowej słyszy dobiegające z maszyny dziwne wycie, często zrzuca to na karb wieku sprzętu i po prostu pogłaśnia radio w kabinie. To błąd, który nierzadko kosztuje dziesiątki tysięcy złotych. Nienaturalne dźwięki to nie jest zwykłe zmęczenie materiału, lecz dramatyczne wołanie układu o pomoc. Gaz krążący w obiegu niemal natychmiast uderza w parametry robocze maszyny, wysyłając operatorowi szereg sygnałów ostrzegawczych.

Nienaturalny hałas i dźwięki

• Wycie, bulgotanie, syczenie: Zazwyczaj pierwszy i najbardziej oczywisty objaw. Zapowietrzona pompa zaczyna emitować wysokie, irytujące wycie, bulgotanie lub syczenie. Nietypowe dźwięki wydawane przez pompę hydrauliczną to sygnał, którego nie wolno ignorować. Hałas często wskazuje na problemy z ciśnieniem lub olejem hydraulicznym. Pompa hydrauliczna może emitować różne dźwięki, od stuku po wycie, w zależności od przyczyny. Hałas w układzie hydraulicznym nie pojawia się bez powodu - to sygnał, że coś dzieje się nieprawidłowo. Metaliczny zgrzyt („tarkotanie”) często wskazuje na zużyte łożyska.
• Grzechot: Dochodzący z hydromotoru może świadczyć o oderwaniu lub odkręceniu się którejś z części, co może doprowadzić do zniszczenia innych elementów silnika.
• Po jakimś czasie pracy maszyny, jak się odkręca korek od zbiornika oleju, słychać delikatne syknięcie, jakby wydostawało się jakieś ciśnienie.

Spadek wydajności i obniżone ciśnienie

• Obecność ściśliwego gazu sprawia, że pompa traci swoją sprawność wolumetryczną. Jeśli narzędzia w ciągniku podnoszą się wolniej, to znak, że ciśnienie spada. Spadek wydajności pracy hydrauliki siłowej ma związek z tym, że energia pochłaniana jest przez proces sprężania gazu, a nie tylko na podstawową pracę.
• W przypadku dużych skoków ciśnienia w układzie warto wykonać przegląd systemu. Spadek wydajności pracy maszyny może świadczyć o obecności zanieczyszczeń w układzie.
• Zapowietrzony układ hydrauliczny działa bardziej ospale, jest powolniejszy i pracuje mniej skutecznie. Układ hydrauliczny z powietrzem w oleju może działać nieprawidłowo lub ze zmniejszoną sprawnością. Gdy w płynie hydraulicznym znajduje się powietrze, spręża się ono pod ciśnieniem, zmniejszając wydajność układu, ponieważ energia jest marnowana na sprężanie gazu, a nie na przenoszenie siły.

Trudności w sterowaniu i szarpanie

• Sprzęt traci swoją precyzję, a operator doświadcza zjawiska nazywanego w branży efektem gąbki. Reakcja maszyny na ruchy drążka jest opóźniona. Zamiast płynnego wysuwu, siłowniki poruszają się skokowo, szarpią, a w skrajnych przypadkach dochodzi do wibracji lub nagłego zatrzymania organów roboczych w połowie cyklu.
• Duże wibracje węży to niepokojące zachowanie układu. Operator koparki, który zignorował wibracje, doprowadził do pęknięcia obudowy po 3 miesiącach.

Przegrzewanie się oleju i podzespołów

• Ciągła kompresja i dekompresja pęcherzyków gazu generuje ogromne ilości potężnego ciepła. Powietrze w instalacji utrudnia również skuteczne oddawanie temperatury na chłodnicach. Gdy przekracza 80°C, układ hydrauliczny jest zagrożony.
• Zbyt wysoka temperatura pompy może powodować rozrzedzanie oleju hydraulicznego i szybsze zużywanie się elementów układu, jednocześnie mając negatywny wpływ na bezpieczeństwo pracy. Olej nabiera wyższej temperatury, o czym świadczy np. zdeformowany plastikowy wkład z kreskami min/max w miarce wskazującej poziom oleju.
• Częste epizody przegrzania powinny skłonić do przeglądu układu hydraulicznego w celu zidentyfikowania i rozwiązania wszelkich problemów związanych z powietrzem w oleju.

Spieniony i mętny olej

• Jeżeli spojrzysz do zbiornika wyrównawczego i zobaczysz utrzymującą się na powierzchni warstwę piany, masz pewność, że układ zaciąga powietrze.
• Spieniony olej można bez większych problemów rozpoznać gołym okiem. Ciecz zmienia kolor na mętny, a na jej powierzchni widoczne są pęcherzyki powietrza. Po jakimś czasie olej się wyklaruje, chociaż proces ten może trwać znacznie dłużej, jeśli został zanieczyszczony wodą lub innym niż hydrauliczny olejem.
• Obecność pęcherzyków powietrza w oleju hydraulicznym można również wykryć, pobierając jego próbkę za pomocą pompy ssącej i umieszczając ją w przezroczystym pojemniku. Kolor pobranej próbki należy porównać z kolorem cieczy znajdującej się w zbiorniku. W pobranej próbce mogą znajdować się pęcherzyki powietrza, co wskazuje na ich obecność w układzie.

Wycieki oleju

• Widoczne ślady oleju z brudem to wyraźny sygnał nieszczelności. Nieszczelności w pompach hydraulicznych prowadzą do wycieków i spadku ciśnienia.
• Kałuże tworzące się pod przewodem ssawnym są wyraźną oznaką zasysania powietrza do oleju. Podczas normalnej pracy wszelkie pęknięcia na wężu ssawnym lub luźne połączenia zaciskowe węża powodują, że pompa podciśnieniowa zasysa powietrze, co powoduje napowietrzanie przypominające kawitację.
• Przewody łączące się ze zbiornika do pomp powinny być suche i bez widocznych wycieków.

Przyczyny powietrza w układzie hydraulicznym

Hałas w układzie hydraulicznym nie pojawia się bez powodu - to sygnał, że coś dzieje się nieprawidłowo. Przyczyn może być kilka, np. kawitacja, zużyte uszczelnienia lub zanieczyszczony olej.

Niski poziom oleju i zanieczyszczenia

• Niski poziom płynu, zużyte filtry lub uszkodzone elementy układu mogą być przyczyną problemów. Zużyty olej lub zatkane filtry ograniczają przepływ płynu.
• Jeśli nigdzie nie ma przecieku, to prawdopodobnie jest przypchany filtr ssawny oleju w zbiorniku oleju, i wtedy nieszczelność jest zbyt mała, aby grawitacyjnie kapał olej, ale pompa zassie małe ilości powietrza i objętość oleju wzrośnie. Brak w zbiorniku filtra ssawnego również może być przyczyną.
• Czystość oleju hydraulicznego wpływa bezpośrednio na jakość i wydajność pracy układu. Ciecz ta powinna być pozbawiona nie tylko zanieczyszczeń, ale także pęcherzyków powietrza.
• Bardzo częstym powodem pienienia się oleju jest zastosowanie niewłaściwego oleju do maszyny.

Nieszczelności w układzie

• Drugą równie częstą przyczyną pienienia się oleju jest nieszczelność układu hydraulicznego. Najczęściej występuje ona po stronie części ssawnej w pompie, przed nią lub w okolicy mocowania filtra. Czasami sam filtr może być uszkodzony lub mocno zużyty, powodując pienienie się oleju hydraulicznego.
• Gdy układ jest nieszczelny i dochodzi do regularnego zasysania powietrza do oleju hydraulicznego, to pojawiają się wycieki.

Skład i właściwości oleju

Wpływ powietrza na pienienie się oleju hydraulicznego wydaje się kwestią dość oczywistą. Wydzielanie się pęcherzyków powietrza następuje głównie w miejscach, gdzie ciśnienie zmienia się skokowo. Gdy proces ten przybiera na sile, dochodzi do wrzenia oleju hydraulicznego, które objawia się charakterystycznym wyciem; w tej sytuacji może dojść do kawitacji.

Dodatki antypienne

Olej hydrauliczny to płyn życia układu. Oleje hydrauliczne mają szereg dodatków, które mają zapobiegać kawitacji i chronić ciecz przed przedostawaniem się do niej pęcherzyków powietrza. Dodatki uszlachetniające powodują powstanie na powierzchni oleju cienkiej warstwy antypiennej. W tym przypadku najsilniej działają dodatki na bazie silikonu. Pęcherzyki powietrza pękają pod wpływem działania mikro kropelek silikonu. Działanie to jest skuteczne tylko w takich olejach, których baza olejowa nie rozpuszcza silikonu, a więc przede wszystkim w olejach mineralnych.

Tendencja do tworzenia piany uzależniona jest od napięcia powierzchniowego. Niższa lepkość kinematyczna oraz niższe napięcie powierzchniowe olejów mineralnych w stosunku do olejów syntetycznych utrudnia tworzenie się piany. Wysokie napięcie powierzchniowe olejów syntetycznych stabilizuje proces tworzenia się piany, a powstające pęcherze są bardzo małych rozmiarów. Dodatki antypienne oddziałują na napięcie powierzchniowe oleju, co pozwala na separację pęcherzyków powietrza.

Tworzenie się piany w oleju stanowi zagrożenie dla prawidłowej pracy całego układu hydraulicznego, zarówno o charakterze hydrokinetycznym, jak i hydrostatycznym. Wysoka skłonność olejów syntetycznych do tworzenia piany związana jest z dużym napięciem powierzchniowym tych olejów, a więc z energią przypadającą na jednostkę powierzchni, co jest równoważne pracy potrzebnej do powiększenia powierzchni o tę jednostkę. Siły przyciągania między molekułami cieczy są miarą wielkości napięcia powierzchniowego. Hydrauliczne oleje syntetyczne dzięki wysokiemu napięciu faz termodynamicznych utrzymują wysoką wewnętrzną kohezję dla każdej fazy, czyli spójność wewnętrzną, która jest większa od adhezji, czyli siły przylegania na granicy faz termodynamicznych.

Napięcie powierzchniowe można zmniejszyć poprzez dodanie substancji powierzchniowo czynnych, czyli surfaktantów, takich jak emulgatory czy detergenty. Zmniejszenie surfaktantów w oleju powoduje zwiększenie napięcia powierzchniowego, co w efekcie utrudnia dyfuzję cząsteczek powietrza w oleju, a tym samym olej nie wykazuje tendencji do pienienia. W tym celu najczęściej stosuje się środek antypienny „FoamFree 940” produkowany na bazie jonowych środków powierzchniowo czynnych, bez silikonów i olejów mineralnych. Znany jest też środek antypienny „CHEDF 9022”.

Lepkość, gęstość i napięcie powierzchniowe charakteryzują skłonność oleju do napowietrzania. Oleje mineralne wykazują znacznie mniejszą skłonność do napowietrzania w stosunku do olejów syntetycznych. Poprzez dodawanie do oleju dodatków silikonowych znacznie obniżamy skłonność do napowietrzania, a tym samym do pienienia.

Pomiar skłonności wyrażony jest w tzw. trzech sekwencjach. Każda sekwencja ogranicza się do ściśle wyznaczonej temperatury pomiaru: Sekwencja pierwsza w temperaturze 25°C, sekwencja druga w temperaturze 95°C i sekwencja trzecia w temperaturze 25°C, ale po próbie w temperaturze 95°C. W każdej sekwencji wynik pomiaru przedstawiony jest w postaci dwóch liczb, np. 15/0. Pierwsza liczba określa tendencję do pienienia w mililitrach, natomiast druga trwałość piany w mililitrach w określonym normą czasie. Należy pamiętać, że intensywne napowietrzanie zawsze wywołuje pienienie. Detergenty, inhibitory korozji, wiskozatory itp. dodatki zmniejszają napięcie powierzchniowe oleju. Pienienie oleju często wywołuje kawitację.

Zapobieganie i usuwanie powietrza z układu hydraulicznego

Gdy układ hydrauliczny szwankuje, czas na szybką reakcję. Ignorowanie objawów prowadzi do poważniejszych awarii, a koszty rosną z każdym dniem. Operator maszyny z łatwością zauważy, że układ hydrauliczny działa bardziej ospale, jest powolniejszy i pracuje mniej skutecznie. Zanieczyszczony olej hydrauliczny może powodować wiele uszkodzeń i awarii, które nie tylko spowodują przestój, ale również będą generować dodatkowe koszty związane z ich usunięciem.

Wykrywanie powietrza w oleju

• Najprostszym sposobem na wykrycie powietrza w oleju hydraulicznym jest pobranie jego próbki za pomocą pompy ssącej. Olej należy umieścić w przezroczystym pojemniku, a następnie kolor pobranej próbki porównać z kolorem cieczy znajdującej się w zbiorniku. W pobranej próbce mogą znajdować się pęcherzyki powietrza, co wskazuje na ich obecność w układzie.
• Kolejnym objawem obecności gazów w cieczy roboczej jest jej pienienie się na powierzchni.
• Bardzo dokładne wyniki dają testy laboratoryjne. Na ich przeprowadzenie decydują się jednak nieliczni przedsiębiorcy oraz operatorzy. Warto sprawdzić, czy wybrane laboratorium prowadzi tego typu badania i w przypadku jakichkolwiek wątpliwości oddać do niego próbkę.
• Na rynku dostępne są czujniki, które wykazują wysoką skuteczność w wykrywaniu powietrza w oleju hydraulicznym. Przeznaczone są przede wszystkim do mierzenia zawartości tlenu rozpuszczonego w oleju w czasie bieżącym i tu doskonale sprawdzają się czujniki oksygenowe. Niektóre czujniki są w stanie wykryć obecność pęcherzyków powietrza w przepływającym oleju hydraulicznym.
• Monitorowanie zużycia energii ma kluczowe znaczenie dla utrzymania wydajności układów hydraulicznych. Jeśli zauważysz nagły wzrost zużycia energii, przyczyną będą pochłaniające energię pęcherzyki powietrza, zmniejszające moduł objętościowy oleju hydraulicznego.

Metody usuwania problemu

Walka z zapowietrzeniem wymaga cierpliwości i metodycznego podejścia. Odpowietrzanie nie ma absolutnie żadnego sensu, jeśli nie zacznie się od usunięcia przyczyny. Zanim weźmiesz do ręki klucze, musisz bezwzględnie zlikwidować nieszczelność na ssaniu, wymienić sparciały wąż lub dolać oleju do odpowiedniego poziomu. Sama procedura opiera się na powolnym, stopniowym luzowaniu złączek w najwyższych punktach układu, zazwyczaj tuż przy samych siłownikach. Należy to robić wyłącznie na wolnych obrotach silnika, zachowując szczególną ostrożność, i cierpliwie czekać na swobodny wypływ czystego, klarownego oleju.

W celu zapobiegania zapowietrzenia układu hydraulicznego należy stosować oleje zaliczane do wyższych klas jakości, np. wg norm ISO/DIS 6743 klasy HM i HV. Są to oleje głęboko rafinowane, gdzie obok różnych dodatków uszlachetniających znajdują się inhibitory utleniania, a więc antyoksydanty oraz dodatki antypienne. Należy podkreślić, że większość maszyn i urządzeń w czasie pracy generuje różnego rodzaju drgania, które powodują absorpcję powietrza do oleju. Objawia się to powstawaniem piany w oleju.

• Wymiana oleju: Zanieczyszczony lub zawierający znaczne ilości powietrza olej hydrauliczny powinien podlegać wymianie. Zaleca się wymianę co 1000-2000 godzin pracy maszyny lub zgodnie z wytycznymi producenta.
• Wymiana filtrów: Proste czynności, jak wymiana filtrów, można wykonać samodzielnie.
• Uzupełnienie oleju: Uzupełnienie oleju do odpowiedniego poziomu.
• Czyszczenie układu: Pierwszy krok to demontaż pompy hydraulicznej. Wykorzystaj czyszczenie termiczno-chemiczne, by usunąć osady.
• Regeneracja/naprawa: Naprawa może kosztować od 285 zł netto (regeneracja) do kilkuset złotych za nową część. „Regeneracja pompy Common Rail kosztuje 285 zł netto, nowa - 350 zł.” Współpraca z certyfikowanymi specjalistami, takimi jak Blaut-Rol.pl, gwarantuje profesjonalną naprawę z 2-letnią ochroną.

Konserwacja i profilaktyka

Obowiązkiem operatora maszyny wyposażonej w układ hydrauliczny jest regularna kontrola jej pracy. Do tego ważna jest profilaktyka. Zaplanuj przeglądy co 250h (podstawowe) i 1000h (pełne). Systematyczne przeglądy redukują koszty eksploatacji nawet o 40%. Monitorowanie zużycia energii ma kluczowe znaczenie dla utrzymania wydajności układów hydraulicznych. Regularne monitorowanie, szybka konserwacja i przestrzeganie wytycznych producenta mają kluczowe znaczenie w rozwiązaniu tego niestety powszechnego problemu.

mgr inż. Piotr Motyka, absolwent Politechniki Wrocławskiej, z ponad 40-letnim doświadczeniem w przemyśle maszynowym, podkreśla, że pienienie, będące objawem napowietrzenia, wywołuje negatywne skutki w postaci spadku wydajności pomp, wypływania oleju ze zbiorników, pękania gumowych węży i nadmiernego utleniania oleju, przyspieszającego proces starzenia.

Jeśli Twój układ hydrauliczny już ucierpiał w wyniku długotrwałej aeracji lub morderczego efektu diesla, w Hydromotor służymy fachową pomocą. Oferujemy kompleksową diagnostykę, naprawę i pełną regenerację pomp oraz silników hydraulicznych.

tags: #powietrze #w #ukladzie #hydraulicznym #jcb