Ventil 4 / 2020 • Letnik 26 272 HIDRAVLIČNE TEKOČINE 1 Uvod – pomen viskoznosti in indeksa viskoznosti Viskoznost je zagotovo najpomembnejša snovna lastnost hidravlične tekočine (in tekočih maziv na- sploh), saj »podaja« sposobnost tekočine oz. ma- ziva, da vzpostavlja, zagotavlja in ohranja mazalni film ter zmanjšuje trenje in posledično obrabo se- stavnih delov hidravličnih komponent. To nalogo mora opravljati oz. zagotavljati pri različnih obra- tovalnih temperaturah in različnih obremenitvah. Definirana je kot merilo za upor tekočine pod delu- jočim tlakom proti tečenju, njena vrednost pa je po- dana z razmerjem med delujočo strižno napetostjo in gradientom strižne hitrosti. Viskoznost tekočine je odvisna od vrste, možne kontaminacije z drugimi tekočinami, procesov staranja, glede obratovalnih pogojev pa od višine obratovalnega tlaka, strižne hitrosti, temperature in drugih pogojev. Med omenjenimi vplivi je izrazita odvisnost visko- znosti od temperature, t. i. obnašanje viskoznost- -temperatura (VT-obnašanje). Kako se viskoznost spreminja s temperaturo, podaja indeks viskoznosti – VI. Po definiciji je indeks viskoznosti brezdimenzij- sko število, ki podaja, kako se viskoznost hidravlične tekočine spreminja s temperaturo, in načeloma velja za vsa tekoča maziva in tekočine, ki jih uporabljamo za prenos sil in gibanja. Tako velja: večja, kot je vre- dnost indeksa viskoznosti (visok indeks viskoznosti), manjša je sprememba viskoznosti tekočine za dano spremembo temperature in obratno. Pri tekočini z majhno vrednostjo indeksa viskoznosti (nizek indeks viskoznosti) se bo ob spreminjanju temperature ob- čutno spreminjala tudi njena viskoznost. Nasprotno pa temperaturne spremembe ne bodo veliko vpliva- le na viskoznost tekočine z visokim indeksom visko- znosti. Z naraščanjem temperature viskoznost upada in te- kočina postaja vse bolj tekoča, kar zelo vpliva na la- stnosti mazalnega filma, trenje in velikost puščanja komponent. Nasprotno pa pri nizkih temperaturah viskoznost narašča, kar vodi do problemov pri sesa- nju črpalk, do večjih uporov pri pretakanju, pri zelo v pliv iNdeksa viskozNosti različNih hidravličNih tekočiN Na obratovalNo temperatUrNo področje Darko Lovrec Prof. dr. Darko Lovrec, univ. dipl. inž., Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo Izvleček: Viskoznost hidravlične tekočine spada med njene najpomembnejše snovne lastnosti. Izbira primerne viskoznosti tekočine za določen primer uporabe pa spada med najpomembnejše naloge hidravlika. Vred- nost viskoznosti pri izbiri tekočine pa ni edini pomemben parameter. Izredno pomembno je poznati, kako se viskoznost spreminja s temperaturo – obnašanje viskoznost-temperatura. Slednje podaja VI – indeks viskoznosti. Prispevek obravnava vpliv vrednosti indeksa viskoznosti različnih hidravličnih tekočin na širino obratoval- nega temperaturnega področja hidravlične naprave. V uvodu sta podana pomen in način ugotavljanja indeksa viskoznosti ter prikazane dejanske vrednosti indeksa viskoznosti za običajna mineralna hidravlična olja kakovostne ravni HLP oziroma HM in različne ISO viskoznostne razrede. V nadaljevanju prispevka so za primerjavo obravnavane značilne vrednosti indeksa viskoznosti še drugih vrst hidravličnih tekočin: za min- eralno olje vrste HV z izboljšanim obnašanjem viskoznost-temperatura ter za hidravlične tekočine vrste HE in HF. V zadnjem delu prispevka so predstavljene prednosti uporabe ionskih tekočin, ki so novejša, okol- ju prijazna in težko vnetljiva tekoča maziva, za katera je značilen visok indeks viskoznosti in posledično široko obratovalno temperaturno področje ter zelo nizka točka strdišča. Ključne besede: hidravlične tekočine, indeks viskoznosti, določanje, obratovalno temperaturno področje, mineralna olja, ionske tekočine Ventil 4 / 2020 • Letnik 26 nizkih temperaturah pa lahko v skrajnem primeru pride tudi do zaustavitve pretoka zaradi strditve te- kočine (t. i. strdišče). Slednje lahko povzroči blokado filtra in posledično lom hidravličnega sistema ali na- prave zaradi pojava intenzifikacije tlaka ali pa »suhi« tek črpalke in odpoved zaradi poškodb kavitacije. [1] Razen teh skrajnih posledic pa v obratovalnem sta- nju tako prenizka kot previsoka viskoznost povzro- čata občutno poslabšanje izkoristka naprave, tako volumetričnega kot hidravlično-mehanskega in sku- pnega izkoristka. Pomembnost indeksa viskoznosti in vpliv viskoznosti na izkoristek hidravlične naprave prikazuje slika 1. Višje vrednosti indeksa viskoznosti povzročajo ugo- dnejše obnašanje viskoznosti od temperature, t. i. ugodno VT-obnašanje, kar pomeni manjše spremi- njanje viskoznosti s temperaturo. Gledano s stališča črpalke, ki ob startu hidravličnega sistema prva prič- ne opravljati delo in je med obratovanjem najbolj in trajno obremenjena, visoka vrednost indeksa vi- skoznosti pomeni manj problemov tako ob zagonu kot med trajnim obratovanjem. To je še posebej po- membno, če gre za zaostrene obratovalne pogoje, kot so nizke temperature na eni strani in višje obra- tovalne temperature na drugi. 2 Določanje indeksa viskoznosti Določanje indeksa viskoznosti temelji na merjenju kinematične viskoznosti tekočine, ki jo običajno izvajamo s kapilarnimi viskozimetri, npr. s Cannon- -Fenskejevimi viskozimetri, iz katerih tekočina izte- ka le zaradi lastne težnosti. Meritev je enostavna, hitra in natančna, postopek pa izvajamo skladno s standardom ASTM D-445. Standardni temperaturi merjenja sta 40 °C in 100 °C, potrebujemo pa pribli- žno 100 ml vzorca tekočine. Podatka za kinematič- no viskoznost pri obeh temperaturah sta tudi osno- va za določanje indeksa viskoznosti. [2] Viskoznost izračunamo na podlagi konstante visko- zimetra K in s štoparico izmerjenega pretočnega časa t med oznakama na viskozimetru. Pretočni čas merimo v sekundah, z natančnostjo 0,1 sekunde. Za vsako določitev viskoznosti potrebujemo 2 ali 3 meritve oziroma meritve ponavljamo, dokler razlika dveh izmerjenih časov ni manjša od 0,2 %. Srednja vrednost meritev se uporablja za izračun kinema- tične viskoznosti po enačbi (1). v = K t (1) v [mm 2 /s] – kinematična viskoznost K [mm2/s2] – konstanta viskozimetra t [s] – povprečna vrednost meritve časa Indeks viskoznosti lahko obravnavamo tudi kot me- rilo za »stabilnost« viskoznosti pri temperaturnih spremembah hidravlične tekočine. Zaželen visok indeks viskoznosti oz. velika številčna vrednost po- meni, da ima tekočina boljšo viskozno stabilnost pri temperaturnih spremembah (= manjša sprememba viskoznosti pri spremembi temperature). HIDRAVLIČNE TEKOČINE 273 3 -20 80 90 Temperatura [°C] Kinematična viskoznost [mm²/s] 10000 5 10 100 50 1000 -10 0 20 40 50 60 70 ISO VG 46 Visok VI Maksimalna startna viskoznost Minimalna obratovalna viskoznost Širše obratovalno temperaturno področje Prednost pri nizki temperaturi Prednost pri visoki temperaturi Najnižja obratovalna temperatura Najvišja obratovalna temperatura HLP mineralno olje Slika 1 - levo Slika 2 Temperatura [ °C] Kinemat ičn a viskoznost [m m²/s] H U L 37,8 98,9 n L n H n U Visoka: slab hidr.-meh. izkoristek nevarnost kavitacije ugoden mazalni film Nizka: slab volumetrični izkoristek ugoden hladni start šibek mazalni film Izkoristek [%] 100  sk =  vol  hm VG / Viskoznost [mm 2 /s] Optimalno obratovalno področje Visok indeks viskoznosti Običajen indeks viskoznosti Slika 1 - desno Slika 1 : Vpliv višine indeksa viskoznosti na izkoristek in potencialne nevarnosti pri delovanju hidravlične naprave Slika 2 : Princip določanja indeksa viskoznosti [3] Ventil 4 / 2020 • Letnik 26 274 HIDRAVLIČNE TEKOČINE Postopek določanja indeksa viskoznosti izhaja iz primerjave obnašanja viskoznost-temperatura raz- ličnih baznih mineralnih olj. Že leta 1920 je bilo zna- no, da so bila pennsylvanska bazna olja boljša od teksaških. Pennsylvanska bazna olja so imela naj- boljše viskozno-temperaturne karakteristike, med- tem ko so imela teksaška najslabše, saj se je njihova viskoznost močno spreminjala s temperaturo. Da imajo različna olja različen potek oz. različen naklon krivulje (desetiška skala za vrednost viskoznosti) oz. premice (logaritmična skala za vrednost visko- znosti), prikazuje slika 2 – ASTM-diagram. [3] Z vidika tehnike se je pojavila potreba po parame- tru, ki bi za določeno mineralno olje natančno po- dajal odvisnost viskoznosti od temperature. Leta 1929 je bil v ta namen vpeljan indeks viskoznosti. Indeks viskoznosti je empirični parameter, ki primer- ja določeno vrsto olja z dvema referenčnima oljema, katerih viskoznost se zelo različno spreminja s tem- peraturo. Referenčni olji sta bili izbrani tako, da ima eno od njiju indeks viskoznosti enak 0, drugo pa 100 pri temperaturi 100 °F (37,8 °C), vendar imata pri temperaturi 210 °F (98,89 °C) enako viskoznost kot olje, ki mu določamo indeks viskoznosti, kot prika- zuje slika 2. Ker sta pennsylvansko in teksaško olje imeli enako viskoznost pri 210 °F (98,9 °C), sta bili izbrani kot referenčni olji. Baznemu olju iz Pennsylvanije je bila za indeks viskoznosti dodeljena vrednost VI = 100, medtem ko je bila teksaškemu baznemu olju do- deljena vrednost VI = 0. Indeks viskoznosti lahko izračunamo z enačbo (2). (2) Kinematično viskoznost opazovanega olja najprej izmerimo pri temperaturi 40 °C (parameter U) in nato pri 100 °C. Nato iz tabele ASTM D 2270-4 do- ločimo parametra L in H glede na viskoznost opa- zovanega olja pri 100 °C. Ko podatke vstavimo v enačbo (2), dobimo izračunano vrednost indeksa viskoznosti opazovanega olja [4]. Enak postopek določanja vrednosti indeksa viskoznosti uporablja- mo tudi za druge vrste hidravličnih tekočin. Indeks viskoznosti večine pridobljenih in uporablja- nih rafiniranih mineralnih olj na tržišču je približno 100, medtem ko imajo večpodročna in sintetična olja vrednost indeksa viskoznosti približno 150 (ali tudi več). Vrednosti indeksa viskoznosti za različne hidravlične tekočine so različne, prav tako so različ- ni tudi poteki krivulj oz. premic. 3 Vrednosti indeksa viskoznosti običajnih mineralnih hidravličnih olj Popolnoma formulirana hidravlična tekočina je se- stavljena iz mešanice osnovne tekočine in dodatka/ ov. V primeru mineralnih hidravličnih olj je to bazno olje in določen paket dodatkov. Pri tem je potrebno omeniti, da je kvaliteta baznega olja odvisna od na- hajališča surove nafte, prav tako se razlikujejo tudi paketi dodatkov različnih proizvajalcev. Ameriški in- štitut za nafto (API – American Petroleum Institute) osnovne tekočine razvršča v pet skupin – API 1509, Dodatek E. Razlika med skupinami temelji na metodi rafiniranja surove nafte, količini nasičenih snovi, vi- skoznosti in deležu žvepla. Proizvodi predelave su- rove nafte predstavljajo skupine od I do III v Tabeli 1. Standard API povzemajo tudi proizvajalci hidravlič- nih tekočin in proizvodov. [5] Zaradi različnih proizvodnih postopkov, različnih ba- znih olj in paketov dodatkov imajo tekočine različno vsebnost nasičenih snovi in posledično tudi različne vrednosti indeksov viskoznosti. Tekočine iz skupine I do III imajo lahko tudi dodatke za izboljšanje indeksa viskoznosti, kar poveča njegovo vrednost. Skupini IV in V predstavljata sintetične tekočine. Pri tem vse- buje skupina IV polialfaolefinska (PAO) bazna olja in skupina V vse druge tekočine, ki ne sodijo v skupine od I do IV; sem spadajo na primer biološko hitreje razgradljive tekočine vrst HEES, HETG in HEPR. Na vrednost indeksa viskoznosti tako vpliva kar ne- kaj faktorjev, ki npr. pri mineralnem hidravličnem olju istega razreda viskoznosti (VG) pripeljejo do različ- nih nagibov linije v diagramu viskoznost-temperatu- ra (VT) in posledično do širšega ali ožjega obratoval- nega temperaturnega področja. Splošna izjava, ki jo pogosto zasledimo v literaturi, da je vrednost indeksa viskoznosti za mineralna hi- dravlična olja okoli 100, je tako zelo »ohlapna«. Ena- ko velja za linije, prikazane v VT-diagramu: te niso idealno vzporedne in enakomerno odmaknjene dru- ga od druge, odvisno od razreda viskoznosti. Znan Tabela 1 : Specifikacija baznih olj po API [5] Vrsta olja Mineralna bazna olja Sintetična bazna olja Skupina I II III IV 1) V Zasičenje <90 % >90 % >90 % 100 % Vse druge vrste tekočin, vključno HEES, HEPG, HEPR Indeks viskoznosti 80 do 120 80 do 120 >120 >135 Žveplo >0,03 % <0,03 % <0,03 % -/- Način pridobivanja rafinirano s topilom hidrotretirano hidrokrekirano sintetizirano Polarnost visoka nizka nepolarna nizka običajno visoka 1) Skupina IV – polialfaolefini Ventil 4 / 2020 • Letnik 26 HIDRAVLIČNE TEKOČINE 275 podatek o (različni) številki šarže hidravličnega mi- neralnega olja istega viskoznostnega razreda (znano bazno olje in znan paket dodatkov) lahko pojasni, zakaj so izmerjene vrednosti indeksa viskoznosti za olje različne oz. kolikšne so za določeno šaržo. Ta podatek uporabniku olja praviloma ni znan. Običajni videz VT-diagrama proizvajalca olja ali hi- dravličnih črpalk, kakršne običajno najdemo v njiho- vih podatkovnih listih, prikazuje slika 3. Dejansko vrednost indeksa viskoznosti točno dolo- čenega proizvoda lahko ugotovimo z opisano me- ritvijo viskoznosti in izračunom indeksa viskoznosti. Za določanje vrednosti indeksa viskoznosti mine- ralnih hidravličnih olj z različno stopnjo viskoznosti in šarže smo uporabili hidravlična mineralna olja vr- ste Hydrolubric VG (proizvajalca OLMA, d. o. o.). Za merjenje smo uporabili olja različnih viskoznostnih razredov po ISO (VG 22, VG 32, VG 46, VG 68 in VG 100), pri čemer je bilo olje VG 46 dveh različnih šarž. Natančne vrednosti viskoznosti kot tudi gosto- te uporabljenih mineralnih olj, izmerjene v laborato- riju proizvajalca, so podane v Tabeli 2. Za splošno rabo in obratovalne pogoje lahko za do- ločanje širine temperaturnega obratovalnega podro- čja uporabljamo VT-diagrame, ki jih podajajo proi- zvajalci mineralnih olj ali črpalk, in tako uporabimo načelno izjavo oz. podatek, da znaša indeks visko- znosti mineralnega hidravličnega olja okoli vredno- sti 100. Vsekakor pa je dobro poznati interpretacijo indeksa viskoznosti in ozadje pojavljanja razlik pri vrednosti indeksa viskoznosti. V primerih, ko pa ne gre več za običajne obrato- valne pogoje, bodisi za področje nizkih temperatur (hladni start črpalke) ali visokih temperatur (mejno področje mazanja), pa postanejo te podrobnosti pomembne. Problem lahko rešimo z dodatki za iz- boljšanje indeksa viskoznosti mineralnih hidravličnih olj (oz. obnašanja viskoznost-temperatura) ali pa z uporabo druge vrste hidravlične tekočine. Slednje se izkaže kot edina možnost ob dodatni zahtevi glede okoljske sprejemljivosti tekočine ali ob zahtevi zago- tavljanja požarne varnosti sistema. 4 Indeks viskoznosti in VT-obnašanje poboljšanih mineralnih olj in drugih vrst hidravličnih tekočin V poglavju 3 smo omenili, da so lahko vrednosti indeksa viskoznosti primerljivega hidravličnega mi- neralnega olja različne od šarže do šarže – razlika Tabela 2 : Izmerjene vrednosti viskoznosti in gostot testiranih hidravličnih olj Razred viskoznosti ISO Viskoznost pri 40 °C [mm 2 /s] Viskoznost pri 100 °C [mm 2 /s] Indeks viskoznosti [–] Gostota pri 20 °C [kg/m 3 ] VG 22 / Š1 21,18 4,27 107 856,80 VG 32 / Š1 34,91 6,04 114 862,30 VG 46 / Š1 46,98 6,97 104 876,20 VG 46 / Š2 47,07 7,37 119 879,40 VG 68 / Š1 70,07 8,83 98 881,00 VG 100 / Š1 94,01 10,66 96 888,30 Opomba: Š1 – šarža 1, Š2 – šarža 2 Slika 3 - levo Slika 3 - desno Slika 3 : VT-diagram proizvajalca olja (levo) oz. proizvajalca hidravličnih črpalk (desno) Ventil 4 / 2020 • Letnik 26 276 HIDRAVLIČNE TEKOČINE v vrednosti indeksa viskoznosti za olje ISO VG 46 je prikazana v Tabeli 2. Olje šarže Š2 ima višjo vre- dnost indeksa viskoznosti (VI = 119) kot olje šarže Š1 (VI = 104) ter pričakovano boljše VT-obnašanje in posledično širše obratovalno temperaturno podro- čje, ki ga določa črpalka s svojima najvišjo in najniž- jo dopustno vrednostjo viskoznosti. Vpliv vrednosti indeksa viskoznosti ter razliko v širini obratovalnega področja za primer treh različnih vrst hidravličnih čr- palk v tržni kvaliteti prikazuje slika 4. S praktičnega gledišča so razlike v vrednostih inde- ksa viskoznosti mineralnih olj istega kvalitetnega ra- zreda, enakega razreda viskoznosti, a različnih šarž, glede širine temperaturnega obratovalnega podro- čja malenkostne. Skladno s podatki navedenimi v Tabeli 2 te razlike zajemajo tudi vrednosti, podane v Tabeli 1, ter lastne izmerjene vrednosti mineral- nih hidravličnih olj različnih viskoznostnih razredov. Tako tudi praktično za vsa mineralna hidravlična olja posplošeno velja, da vrednosti indeksa viskoznosti današnjih rafiniranih mineralnih olj na trgu znašajo približno 100. Z višjimi vrednostmi indeksa viskozno- sti (>135 – Tabela 1) pa že pokrivamo temperaturno področje dveh ali treh gradacij viskoznosti – večpo- dročna olja. Na ta način lahko z oljem istega visko- znostnega razreda razširimo obratovalno tempera- turno področje (mineralna olja vrste HV oz. HVLP). Minimalne zahteve za hidravlična olja HV oz. HVLP predpisujejo standardi ISO 11158 oz. DIN 51523-3, DIN 51524 [6]. Skladno s standardom morajo tovrstna olja imeti indeks viskoznosti vsaj 140 ali višje. Pre- gled ponudbe tovrstnih olj na tržišču razkriva dokaj velik razpon vrednosti indeksa viskoznosti: od vsaj 140, kot ga predpisuje standard, lahko tudi do 250. Slednjega proizvajalec označuje kot olje za upora- bo v ekstremnih temperaturnih pogojih. Običajno so vrednosti med 150 in 180, podatek o vrednosti inde- ksa viskoznosti določenega olja je običajno naveden v podatkovnem listu proizvoda. Načeloma velja, da dosežemo višje vrednosti indeksa viskoznosti z izbiro baznih olj, ki imajo že po naravi visoko vrednost indeksa viskoznosti (in tudi ceno), ter z ustreznim dodatkom. Ti pa so lahko različni. Dodatki, običajno so to polimerni aditivi, ki jih proi- zvajalci uporabljajo za izboljšanje vrednosti indeksa viskoznosti, so polimetakrilati (PMA), poliizobutilen (PIB), radialni poliizoprenski, olefinski sopolimeri (OCP) in drugi. Kot vidimo, obstaja več različnih vrst dodatkov in vsak bo imel svoj učinek. Dodatki (imenovani tudi modifikatorji) za izboljša- nje indeksa viskoznosti se običajno uporabljajo v večpodročnih motornih oljih, oljih za mazanje zob- niških prenosnikov, oljih za mazanje samodejnih menjalnikov, oljih za servovolane, mazivih in neka- terih hidravličnih tekočinah. Pri nižji temperaturi ti dodatki omogočajo, da tekočina lažje teče in tako hitreje doseže ležaje ter jih zadovoljivo maže, pri hi- dravličnih črpalkah pa omogočajo lažje sesanje ob zagonu. Pri višji obratovalni temperaturi bo imela tekočina višjo viskoznost, kar zagotavlja potrebno debelino oz. trdnost mazalnega filma, ki zagotavlja nižje trenje. Slika 4 Črpalka z zunanjim ozobjem aksialna batna krilna spodnja temperaturna meja zgornja temperaturna meja HM hidravlično olje Š1 HM hidravlično olje Š2 HV hidravlično olje ISO VG 46 VT-diagram mineralnega olja Linije podajajo potek spreminjanja viskoznosti odvisno od temperature za ISO VG 46 in različne vrednosti VI Kinematična viskoznost (mm 2 /s) Temperatura ( o C) Slika 4 : Vpliv vrednosti indeksa viskoznosti za hidravlična olja vrst HM in HV Ventil 4 / 2020 • Letnik 26 HIDRAVLIČNE TEKOČINE 277 Žal so ti modifikatorji običajno občutljivi na tempe- raturo. Pri nizkih temperaturah se polimerne verige v modifikatorjih strdijo ali zložijo in nimajo velikega vpliva na viskoznost tekočine. Pri višjih temperatu- rah se polimeri širijo, kar pomaga zvišati viskoznost in posledično ohraniti trdnost mazalnega filma. S tem je rešen problem zagotavljanja mazalnega filma pri višjih temperaturah, pri nizkih temperaturah pa problem hladnega starta črpalke ostaja in ga je po- trebno reševati z drugimi vrstami dodatkov – npr. s t. i. izboljševalci točke tečenja (pour point depressant additives). [7], [8] Ena glavnih težav pri dodatkih za izboljšanje VT- -obnašanja je, da so občutljivi na mehanske strižne obremenitve. Te se pojavljajo pri toku tekočine skozi zaslonke in njim podobne oblike. Takšno delovanje lahko sčasoma razgradi polimere in zniža viskoznost tekočine. Strokovnjaki zato pogosto priporočajo dodatke, ki so stabilni na strižne obremenitve, da bi tako zagotovili, da tekočine z visokim indeksom viskoznosti učinkujejo, kot je bilo mišljeno. Odpor- nost dodatkov za izboljšanje indeksa viskoznosti na strižne obremenitve preverjajo z različnimi testi. [9], [10], [11] Če je potrebno zagotoviti višjo požarno varnost hi- dravličnega sistema ali večjo biološko sprejemljivost hidravlične tekočine, mineralna hidravlična olja od- padejo. Potrebno je uporabiti druge vrste hidravlič- nih tekočin, npr. HF in HE. Druge vrste hidravličnih tekočin imajo druge značilne vrednosti viskoznosti in drugačne poteke VT-obnašanja. VT-linija ni nujno premica, lahko je krivulja. Potek VT-linij za različne vrste hidravličnih tekočin prikazuje slika 5. Pri mineralnem olju vrste HLP oz. težko vnetljivi tekočini vrste HFC poteka VT-linija preko relativno širokega področja temperature kot ravna premica. [12], [13] V primeru tekočine HFD nimamo več opravka s pre- mico, temveč s krivuljo. Ta narašča v spodnjem tem- peraturnem področju progresivno, njena viskoznost je tam veliko bolj temperaturno odvisna kot pri dru- gih vrstah tekočine. Pri biološko razgradljivih tekoči- nah HE prihaja pri nizkih temperaturah zaradi delne kristalizacije molekule do opaznega porasta visko- znosti sicer dokaj položnega poteka VT. Potek VT za estre naravnega izvora (HETG) ni linearen na celo- tnem področju temperatur. Zato potekov VT-linij, ki jih podajajo proizvajalci za različne tekočine, ne sme- mo avtomatično podaljšati izven podanega podro- čja, če je npr. VT-diagram podan samo do 0 °C, izven področja morda premočrtna zakonitost ne velja več. 5 Indeks viskoznosti in VT-obnašanje ionskih tekočin Vsaka od do sedaj omenjenih hidravličnih tekočin ni »idealna« in ima vsaj eno od »pomanjkljivosti«. Mi- neralnim oljem lahko npr. z dodatki (tudi občutno) Slika 5 HM hidravlično olje HFC/HEES HFD HETG Kinematična viskoznost (mm 2 /s) Temperatura ( o C) HM mineralno olje HFC/HEES HFD HETG ISO VG 46 Slika 5 : Odvisnost kinematične viskoznosti od temperature za različne hidravlične tekočine Ventil 4 / 2020 • Letnik 26 278 HIDRAVLIČNE TEKOČINE izboljšamo VT-obnašanje, a samo v »smeri« višje viskoznosti pri višjih obratovalnih temperaturah. Za izboljšanje VT-obnašanja oz. možnost uporabe teko- čine pri nižjih temperaturah (npr. pod cca –20 °C) je potrebno dodati drugo vrsto dodatkov (za znižanje točke tečenja). Razen tega, da so potrebni dvojni različni dodatki, so dodatki za izboljšanje VT-obna- šanja občutljivi na strižne obremenitve in sčasoma izgubijo svojo učinkovitost. Razen tega pa mineralna olja niso ognjevarna in najprijaznejša do okolja. Hidravlične tekočine vrste HE imajo že v osnovi višji indeks viskoznosti (glej sliko 5) in bolj položne VT- -linije kot mineralna olja, a pri tem moramo ostati, saj jih ni smiselno »doaditivirati«, ker potem izgubijo svojo okoljsko prijaznost. Naravni estri pa postane- jo pri temperaturah pod 0 °C lojasti – pojavljati se pričnejo voskasti kosmiči, ki povzročajo probleme pri delovanju hidravličnega sistema. Vse tekočine vrste HE na osnovi estrov tudi niso deklarirane kot ognjevarne. Tudi določene HF-tekočine imajo ugodno VT-obna- šanje, predvsem tiste na osnovi vode. Nekatere od teh lahko uporabljamo tudi pri temperaturah nekaj pod 0 °C (npr. HFC nekje do –20 °C), druge pa ne (npr. HFA). V smeri višjih temperatur pa je obrato- valno temperaturno področje omejeno zaradi pro- blema izhlapevanja in nevarnosti kavitacije. Prav tako je potrebno biti pozoren na način in pogoje skladiščenja teh tekočin. Podobno velja za uporabo čiste vode kot alternativne hidravlične tekočine, za katero veljajo enake omejitve, dodatno k temu pa je potrebno z izbiro primernih materialov ali zaščitnih oblog na gradnikih obvladovati obseg puščanja in trenje. V primerjavi z drugimi hidravličnimi tekoči- nami pa je kinematična viskoznost vode tudi izre- dno nizka (0,66 mm 2 /s pri 40 °C) [14], kar povzroča dodatne izzive pri izdelavi ozkih toleranc in rež v hidravličnih komponentah. Z energetskega vidika in trenda uporabe nižjeviskoznih hidravličnih teko- čin je njena nizka viskoznost po eni strani prednost, prav tako je tudi zanemarljiva odvisnost viskoznosti od temperature. V primeru uporabe visokohitrostnih črpalk, npr. pri mobilni hidravliki, ali v primeru uporabe hitrostno reguliranih konstantnih črpalk v stacionarnih hidra- vličnih sistemih, pa tudi pri dolgih hidravličnih ceveh, bo nižja viskoznost uporabljene hidravlične tekočine povečala učinkovitost delovanja celotnega sistema. Pri uporabi tekočine nižjega viskoznostnega razre- da, npr. ISO VG 32 ali ISO VG 22, pride še posebej do izraza visok indeks viskoznosti. To še posebej ve- lja za mobilne stroje in druge hidravlične naprave, ki obratujejo pri nizkih temperaturah. Kot hidravlične tekočine, ki združujejo dobre lastno- sti HV, HE in HF tekočin, a brez njihovih pomanjklji- vosti, so ionske tekočine. V zadnjem obdobju so dobro prestale vse trajnostne teste in se vse bolj uveljavljajo v praktičnih rešitvah. Ionske tekočine (IL) predstavljajo novo vrsto teko- čih visokotehnoloških materialov, maziv, z izjemnimi snovnimi in obratovalnimi lastnostmi. V smislu do- brih mazalnih lastnosti imajo visoko točko zavaritve, majhno obrabno kaloto, glede drsnih lastnosti ima- jo nizek koeficient trenja tudi pri višjih obratovalnih temperaturah. S smiselno izbiro materialov in kon- strukcijskih ukrepov, kakršne poznamo npr. pri ne- katerih HF-tekočinah, ni problemov s protikorozijsko zaščito in združljivostjo z materiali, kakršne upora- bljamo v hidravličnih sistemih. Razen tega so v pri- merjavi z drugimi vrstami hidravličnih tekočin tudi okolju prijazne, saj ionske tekočine sestavljajo ioni in kationi organskega izvora, imajo primerno (sintetizi- rano) osnovno viskoznost in (po naravi) visok indeks viskoznosti. Tako so brez kakršnih koli dodatkov temperaturno zelo stabilne, negorljive, viskoznost pa se s spreminjanjem temperature zelo malo spre- minja. Dodatno k temu pa imajo izredno nizko toč- ko tečenja, nižjo vsaj od –50 °C, kar omogoča start naprave in njeno delovanje pri izredno (ekstremno) nizkih temperaturah okolja. [15] do [19] V Tabeli 3 je podan le del rezultatov lastnih raziskav, ki se nanašajo na kinematično viskoznost in indeks viskoznosti za določene preizkušene ionske tekoči- ne. Vrednosti so podane samo za tiste preizkušene IL, ki so izkazale vse prej omenjene snovne lastnosti, potrebne kot pogoj za uporabo v hidravličnih siste- mih. Za neposredno primerjavo so prikazane tudi vrednosti za mineralno hidravlično olje vrste HM/ HLP, za dva različna razreda viskoznosti. Prva analizirana ionska tekočina IL1, o kateri pogo- sto poročajo v literaturi, je 1-etil-3-metilimidazoli- jev etilsulfat (EMIM-EtSO 4 ). Na podlagi rezultatov, podanih v Tabeli 3, je razvidno, da ima IL1 EMIM- -EtSO 4 pri isti temperaturi nekoliko nižjo viskoznost kot mineralno olje (na spodnji tolerančni vrednosti razreda VG 46), vendar veliko višjo vrednost inde- ksa viskoznosti, kakršen je značilen že za mineralna olja vrste HV. To dokazuje, da je njeno VT-obnaša- nje veliko boljše kot pri klasičnem mineralnem olju. Vrednosti teh dveh parametrov že kažejo smer k tekočini s širokim razponom področja obratovalnih temperatur. Tudi za vse druge IL velja, da imajo že v osnovi višje vrednosti indeksa viskoznosti, kot ga imajo mineralna hidravlična olja. S svojimi vrednostmi izstopa IL6, ki ima enako vi- skoznost kot mineralno olje razreda ISO VG 22, a veliko višji indeks viskoznosti. Izmerjena viskoznost pri 100 °C v primeru mineralnega olja ISO VG 22 znaša 4,41 mm 2 /s, v primeru IL6 pa 7,729 mm 2 /s. Ta- kšna vrednost za najnižjo še dovoljeno kinematično viskoznost v primeru mineralnega olja odgovarja temperaturam med 80 °C do 90 °C. Pri enakih tem- peraturah je v primeru IL6 trdnost mazalnega filma večja kot v primeru mineralnega olja. Vpliv indeksa viskoznosti na širino območja delovne temperature je prikazan na slikah 6 in 7. Slika 6 prikazuje širino območja obratovalne tem- perature pri uporabi standardnega mineralnega hi- Ventil 4 / 2020 • Letnik 26 HIDRAVLIČNE TEKOČINE 279 dravličnega olja ISO VG 46 in primere ionskih teko- čin istega viskoznostnega razreda. Mejne vrednosti dovoljenih viskoznosti so podane za tri različne vr- ste hidravličnih črpalk – za običajno krilno črpalko, za aksialno batno črpalko in za zobniško črpalko z zunanjim ozobjem. Dopustne vrednosti viskoznosti za posamezno črpalko so navedene v podatkov- nem listu proizvajalca črpalke. Najvišja vrednost viskoznosti določa začetno viskoznost pri najnižjih vrednostih začetne temperature (tako imenovana dopustna viskoznost hladnega zagona). Najnižja vrednost viskoznosti je vrednost, ki še vedno zago- tavlja zadostno mazanje in trdnost mazalnega fil- ma v sami komponenti pri najvišji obratovalni tem- peraturi. V obravnavanem primeru so uporabljene mejne vrednosti podane v podatkovnih listih iste- ga proizvajalca vseh treh tipov črpalk in načeloma splošno veljajo za iste vrste črpalk. V primerjavi z mineralnim hidravličnim oljem imajo ionske tekočine veliko višji indeks viskoznosti (glej vrednosti, podane v Tabeli 3), zato je območje de- lovne temperature veliko širše – praktično pokrivajo tri ali več razredov viskoznosti mineralnih olj. Če- prav je primerljiv učinek možno doseči tudi z upo- rabo večpodročnih olj s specialnimi dodatki, lahko zaradi teh dodatkov za izboljšanje viskoznosti do- sežemo druge neželene stranske učinke. Tabela 3 : Primerjava vrednosti kinematične viskoznosti in indeksa viskoznosti za mineralni olji in nekaj testiranih IL Lastnost [enota] metoda Viskoznost 40 °C [mm 2 /s] ASTM D 445 Indeks viskoznosti [–] ASTM D 2270 Vrsta tekočine Mineralno olje HM ISO VG 46 47,07 104 Mineralno olje HM ISO VG 22 22,10 107 IL1 EMIM-EtSO 4 42,44 168 IL2 18PI163 (TOMA-DBP + 40 % NMP) 47,36 155 IL3 17PI045 46,59 155 IL4 B2002b 45,23 140 IL5 EMIM-TFSI 71,89 132 IL6 B2002a 19,97 220 Slika 6 HM hidravlično olje ionska tekočina IL1 ionska tekočina IL2/IL3 Ionska tekočina IL4 ISO VG 46 Črpalka z zunanjim ozobjem aksialna batna krilna spodnja temperaturna meja zgornja temperaturna meja Kinematična viskoznost (mm 2 /s) Temperatura ( o C) Slika 6 : Obratovalno temperaturno področje hidravličnega olja HM in ionskih tekočin; vse viskoznostnega razreda ISO VG 46 Ventil 4 / 2020 • Letnik 26 280 HIDRAVLIČNE TEKOČINE Podobna primerjava je prikazana na sliki 7, ven- dar v primeru nižje viskozne tekočine – razred ISO VG 22. V tem primeru je temperaturno področje uporabe ekstremno široko. Trend razvoja hidravlič- nih tekočin gre v smeri uporabe energetsko učin- kovitih hidravličnih tekočin, za katere je značilna uporaba tekočin z nižjo viskoznostjo, a visokim in- deksom viskoznosti in s tem pokrivanjem širokega razpona obratovalnih temperatur, z boljšimi mazal- nimi lastnostmi, večjo prijaznostjo do okolja, manj- šim vplivom temperature na obnašanje naprave in višjim skupnim izkoristkom celotnega hidravličnega sistema. Nekatere izbrane ionske tekočine v celoti izpolnjujejo te zahteve. 6 Zaključek Za neoporečno delovanje hidravlične naprave je izredno pomembna uporaba hidravlične tekočine primerne viskoznosti. Tako prenizka kot previsoka vrednost viskoznosti povzročata številne pomanj- kljivosti v delovanju naprave: na področju nizkih obratovalnih temperatur, ali, nasprotno, na podro- čju visokih obratovalnih temperatur. Problem je možno zmanjšati z uporabo hidravličnih tekočin z višjo vrednostjo indeksa viskoznosti. V prispevku je pobližje predstavljena problematika indeksa viskoznosti in VT-obnašanje običajnih in poboljšanih mineralnih olj ter drugih vrst hidravlič- nih tekočin. Na podlagi dejansko izvedenih meritev so pojasnjene razlike v vrednosti indeksa viskozno- sti mineralnih olj iste vrste in istega razreda visko- znosti. V nadaljevanju je prikazan pomen dodatka za izboljšanje obnašanja viskoznost-temperatura in korist v smislu doseganja širšega področja obrato- valnih temperatur. Za primerjavo so prikazani tudi poteki spreminjanja viskoznosti v odvisnosti od temperature za druge vrste hidravličnih tekočin. Kot novejša možnost za doseganje izredno široke- ga področja obratovalnih temperatur se kot hidra- vlične tekočine uveljavljajo ionske tekočine. Širina področja obratovalnih temperatur je v prispevku prikazana za nekaj različnih vrst ionskih tekočin. Navedene so njihove značilne vrednosti indeksa viskoznosti, potek VT-linij in širina področja obra- tovalnih temperatur pa sta podana v primerjavi z mineralnim hidravličnim oljem. Ker so organske se- stave, veljajo za »zelena maziva«, razen tega pa je točka vnetišča občutno višja kot pri mineralnih oljih. Viri [1] Lovrec, D.: Fizikalno ozadje delovanja hidra- vličnih sistemov. 1. izd. Maribor: Univerzitet- na založba Univerze: Fakulteta za strojništvo, 2018. VIII, 208 strani, ISBN 978-961-286-193-3. [COBISS.SI-ID 95187969]. [2] ASTM D445-19: Standard Test Method for Kin- ematic Viscosity of Transparent and Opaque Liquids (and Calculation of Dynamic Viscosity). [3] Stachowiak, W. G, Batchelor, W. A.: Engineer- ing Tribology, 2nd edition, Butterworth-Heine- mann, 2001. ISBN 0-7506-7304-4. Slika 7 ISO VG 22 HM hidravlično olje HM: VI = 104 ionska tekočina IL6 IL6: VI = 220 Črpalka z zunanjim ozobjem aksialna batna krilna spodnja temperaturna meja zgornja temperaturna meja Kinematična viskoznost (mm 2 /s) Temperatura ( o C) Slika 7 : Obratovalno temperaturno področje hidravličnega olja HM in ionske tekočine z visokim indeksom visko- znosti; obe viskoznostnega razreda ISO VG 22 Ventil 4 / 2020 • Letnik 26 HIDRAVLIČNE TEKOČINE 281 [4] ASTM D2270-10: Standard Practice for Calcu- lating Viscosity Index from Kinematic Viscosi- ty at 40 oC and 100 oC. [5] Danfoss: Hydraulic Fluids and Lubricants, Technical information Danfoss, št. publikacije: 520L0463 | BC00000093en-US0801, 44 st- rani, julij 2016. [6] DIN 51524/3: Pressure fluids – Hydraulic oils – Part 3: HVLP hydraulic oils, Minimum require- ments. [7] Canter, N.: Viscosity Index Improvers, Tribolo- gy & Lubrication Technology, September 2011, 10 strani. [8] Rudnick, R. L.: Lubricant Additives – Chem- istry and Applications, Second Edition, CRC Press – Taylor & Francis Group, 2009, ISBN: 978-1-4200-5964-9, 776 strani. [9] Savant Labs: Shear Stability and Viscosi- ty Loss, https://www.savantlab.com/test- ing-highlights/testing-shear-stability-and-vis- cosity-loss/ (ogled: 1. 7. 2020). [10] Exxon Mobil Corporation: Hydraulic fluid shear stability; 2008, HY8011SH. [11] Ripa, M., Spanu, C., Ciortan, S.: Characterisa- tion of Hydraulic Oils by Shear Stability and Extreme Pressure Tests, Tribology in industry, Volume 30, No. 3 & 4, 2008, str. 48–54. [12] Murrenhoff, H.: Fundamentals of Fluid Power, Part 1: Hydraulics, Shaker Verlag, ISBN: 978-3- 8440-4817-9, IFAS, Aachen, 2016. [13] Remmelmann, A.: Die Entwicklung und Un- tersuchung von biologisch schnellabbaubaren Druckuebertragungsmedien auf Basis von syn- thetischen Estern, doktorska disertacija, RWTH Aachen, Wissenschaftsverlag Mainz, 2000. [14] Crittenden, J. C., Trussell, R. R., & all.: MWH’s Water Treatment: Principles and Design, Third Edition Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Inc, 2012, https://onlinelibrary.wiley. com/doi/pdf/10.1002/9781118131473.app3. [15] Kambič, M., Kalb, R., Tič, V., Lovrec, D.: Com- patibility of ionic liquids with hydraulic sys- tem components. Advances in production engineering & management, ISSN 1854-6250, Vol. 13, No. 4, str. 492-503, 2018, https:/ / doi: 10.14743/apem2018.4.306. [16] Haizhong,W, Qiming, L., Cheng, F. et all.: Friction and wear behaviors of ionic liquid of alkylimidazolium hexafluorophosphates as lubricants for steel/steel contact, Wear, Volume 256, Issues 1–2, January 2004, str. 44–48, https://doi.org/10.1016/S0043- 1648(03)00255-2. [17] Kambič, M., Kalb, R., Lovrec, D.: Lubrication properties of ionic liquids suitable for use within hydraulic systems, Proceedings of In- ternational Conference Fluid Power 2015, Congress centre Habakuk, Maribor, Slovenia. Maribor: Faculty of Mechanical Engineering, str. 79–93, 2015. [18] Lovrec, D., Tič, V.: Ionic liquids as wide op- erating temperature range lubricant, New technologies, development and application III, ISSN 2367-3370, Vol. 128, Springer, 2020, vol. 128, str. 348–359, doi: 10.1007 /978-3-030- 46817-0_40. [19] Lovrec, D., Kalb, R., Tič, V .: Basic aspects when using ionic liquids as a hydraulic fluid, 12th International Fluid Power Conference, 2020, Dresden, Symposium, Vol. 1., str. 273–282, https:/ /tud.qucosa.de/api/qucosa%3A70916/ attachment/ATT-0/. Influence of the viscosity index of different hydraulic fluids on the operating tempe- rature range Abstract: The viscosity of a hydraulic fluid is one of its most important material properties. The choice of the appro- priate viscosity of the fluid for a particular application is one of the most important tasks of a hydraulic engineer. But the viscosity value itself is not the only important parameter when choosing the fluid. It is ex- tremely important to know how the viscosity changes with temperature – viscosity-temperature behaviour. The latter is given by the VI – the viscosity index. The paper presents the influence of the viscosity index of different hydraulic fluids on the width of the tem- perature operating range of a hydraulic device. The significance and method of determining the viscosity index is explained in the introduction, while the actual values of the viscosity index for common mineral hy- draulic oils of ISO HLP quality and various ISO viscosity classes are shown. In the continuation of the paper, the typical values of the viscosity index of other types of hydraulic fluids are discussed for comparison: for mineral oil type HV with improved temperature-viscosity behaviour, and for HE and HF types of hydraulic fluid. The last part of the paper presents the advantages of using ionic liquids, which are newer, environ- mentally friendly and fire-resistant liquid lubricants, which are characterized by a high viscosity index and consequently a wide temperature operating range and a very low solidification point. Keywords: hydraulic fluids, viscosity index, determining, operating temperature range, mineral oils, ionic liquids Zahvala Raziskavo sta podprli podjetji OLMA d.o.o. iz Ljubljane in proionic GmbH iz Grambacha / Avstrija, ki sta zagotovili vse vzorce mineralnih olj in ionskih tekočin ter tako omogočili izvedbo raziskave. Še posebej smo hvaležni podjetju OLMA d.o.o., ki nam je omogočilo uporabo njihove opreme in naprav ter z nami delilo osebne izkušnje pri izvedbi meritev.