Izločanje zraka iz olja in penjenje

Med lastnostmi olja sta izločanje zraka in nagnjenost k penjenju zelo pomembna, predvsem zaradi vedno manjših oljnih polnitev in s tem povezanih krajših obtočnih časov. Olje ima vedno manj časa, da na primer v rezervoarju izloči zrak, preden gre znova v obtok. Če z aditivi zmanjšamo nagnjenost olja k penjenju, običajno poslabšamo hitrost izločanja zraka iz olja. Uskladitev teh dveh lastnosti zato predstavlja izziv za proizvajalce maziv.

Težave z vstopom zraka v olje in penjenjem so precej pogoste, vendar jih je običajno težko odpraviti. Včasih je bil standardni postopek izvedba testa penjenja po standardu ASTM D892 in nato neselektivno dodajanje sredstva proti penjenju, običajno na osnovi silikona. Na splošno je pena hitro izginila, a se je tudi hitro vrnila. Dodajali smo vedno več sredstva proti penjenju in cikel smo ponavljali, dokler sistem ni bil tako preobremenjen z dodatkom proti penjenju, da je bilo treba olje zamenjati. Danes obstaja več praktičnih metod za ugotavljanje in odpravljanje vzroka penjenja, tako da običajno ni treba uporabljati dodatkov proti penjenju [1].

Vsebnost zraka v olju in posledice

V hidravličnih napravah z nizkimi števili prečrpavanja tekočine (število pove, kolikokrat v časovni enoti se vsa tekočina, ki je v rezervoarju, prečrpa) najdemo deleže neraztopljenega zraka v velikosti od 5 vol. % do 10 vol. % (to še posebej velja za mobilno hidravliko). Tako tekočina nima možnosti izločitve zračnih mehurčkov (kot tudi ne trdnih delcev nečistoč in se ohladiti), kar pogosto pripelje tudi do nevarnosti čezmernega penjenja olja. Ta se lahko v napravi pojavi zaradi najrazličnejših vzrokov in je v različnih oblikah. Lahko je očem viden, saj se pojavlja v obliki pen ali elementarnih zračnih mehurčkov, lahko pa je »neviden«, saj je raztopljen v tekočini. To obliko lahko kasneje opazimo v elementarni obliki, ko se spremenijo obratovalne razmere (tlačne) razmere, kar je tudi v tesni povezavi s samo zasnovo posameznih gradnikov [2].

Najpogostejši vzroki prisotnosti zraka v olju so vsekakor vdor zraka skozi netesna mesta (t. i. aeracija), napačna zasnova gradnikov hidravličnega sistema (npr. rezervoar, cevno omrežje, ventili in ventilski bloki …) ali pa velike, neprimerne spremembe obratovalne točke, vezane na zasnovo hidravlične naprave.

Pene, ki se pojavljajo na površini tekočine v rezervoarju, pravzaprav niso neposredno nevarne in ne vplivajo na stisljivost hidravlične tekočine. Nevarni so zračni mehurčki, ki so v sami tekočini, kar pripelje do različnih posledic. Tako prisotnost zračnih mehurčkov v napravi v prvi vrsti vpliva na stisljivost oz. togost tekočine, kar ima posledično večji ali manjši vpliv na samo delovanje hidravlične naprave, kot so natančnost gibanja aktuatorjev, pojav nihanj, prenos signalov, potreba po spremenjeni nastavitvi parametrov regulatorja itd.

Zrak v olju poslabša tudi mazalne sposobnosti olja, ima neugoden vpliv na staranje olja in prihaja do predčasne oksidacije olja ali pa celo do njegovega zažiganja, uničenja tesnil in posledično puščanja, pojavlja se kavitacija na črpalki in drugih elementih [3].

Izločanje zračnih mehurčkov

Omenili smo, da je zrak v manjši ali večji meri prisoten v olju vedno ter posledice te prisotnosti. Zato je zelo pomembno, da olje zrak čim hitreje izloči iz olja. Hitrost izločanja zraka iz olja lahko izmerimo z napravo, ki je prikazana na sliki 1.

» Slika 1: Naprava za določanje sposobnosti izločanja zraka iz olja [4]

Hitrost izločanja zraka iz olja lahko povečamo z zmanjšanjem površinske napetosti, vendar s tem povečamo nagnjenost olja k penjenju.

Vpliv baznega olja in aditivov na penjenje

Bazna olja so sama po sebi nagnjena k penjenju, čeprav obstajajo nekatere razlike glede na njihov izvor in način predelave. Testi so pokazali linearno razmerje med nagnjenostjo k penjenju in površinsko napetostjo. V sistemu, kjer se pena ustvarja mehansko, lahko penjenje zmanjšamo s prehodom na sintetično olje.

Polialfaolefinska in hidrokrekirana olja imajo zaradi svoje visoke površinske napetosti relativno nizko nagnjenost k penjenju v primerjavi z ogljikovodiki na mineralni osnovi. Neaditivirani organski estri se v bistvu ne penijo, vendar so zelo občutljivi na kontaminacijo in vpliv aditivov. Fosfatni estri kažejo kopičenje pene pri nizkih temperaturah, vendar nad 50 °C kažejo zelo majhno nagnjenosti k penjenju. Poliglikole je težko kategorizirati, ker absorbirajo vodo, kar lahko vpliva na nagnjenost k penjenju. Več raziskav je pokazalo, da se bazna olja najbolj penijo pri viskoznosti 280 mm2/s. Nižja ali višja viskoznost lahko zmanjšata količino in stabilnost pene [1].

Najpogostejši dodatek proti penjenju, ki ga uporabljamo v oljih, temelji na silikonu v obliki polidimetil polisiloksana. Silikoni imajo zelo nizko površinsko napetost in se nabirajo na mejah zrak/ olje. Da bi bili učinkoviti kot sredstvo proti penjenju, morajo biti netopni v olju, medtem ko morajo biti delci silikona manjši od 5 do 7 mikrometrov, da se zagotovi dolgoročno delovanje. Mehanizem delovanja aditivov proti penjenju je preprost. V stik z zračnim mehurčkom pridejo na njegovem robu in se razširijo okoli mehurčka. Ko se širijo, strižna sila tanjša steno mehurčka, dokler ne poči. Silikon je veliko gostejši od okoliške tekočine in veliko gostejši od katerega koli mehurčka, zato upočasni napredovanje mehurčka na površino in s tem izločanje zraka iz olja. Slika 2 prikazuje eksperimentalne učinke silikona na tvorjenje zračnih mehurčkov in njihovo izločanje iz olja. Vidimo, da silikon zmanjšuje količino nastalih mehurčkov, vendar jih med fazo izločanja dalj časa zadrži v olju [1].

» Slika 2: Vpliv silikona na izločanje zraka [1]

Silikonski dodatki proti penjenju so uspešni pri gašenju pene predvsem v turbulentnih sistemih. Vendar pa jih je treba dodati pravilno in le, če vzroka težave ni mogoče odpraviti. Molekulska masa in metoda mešanja sta ključnega pomena za njihovo učinkovitost. Dodajati jih je treba zelo počasi v najbolj turbulenten del sistema.

V industrijskih oljih pogosto uporabljamo kot dodatek proti penjenju tudi akrilatne kopolimere. Pri njih je manj verjetno, da bodo povzročili vnos zraka. Kljub temu lahko čezmerno dodajanje povzroči vnos zraka in lahko reagirajo z drugimi aditivi. Pokazalo se je, da reagirajo s polibuteni, ki jih običajno uporabljamo kot sredstva za izboljšanje indeksa viskoznosti, zato jih običajno ne uporabljamo v oljih, ki vsebujejo ta sredstva [1].

Dr. Milan Kambič, univ. dipl. inž. str. • direktor tribologije in izobraževanja, Olma, d. o. o.