Izlučivanje zraka iz ulja i pjenjenje

Među svojstvima ulja izlučivanje zraka i sklonost pjenjenju vrlo su važni, prije svega zbog sve manjih uljnih punjenja i s time povezanih kraćih vremena optoka. Ulje ima sve manje vremena da primjerice u spremniku izluči zrak, prije nego li ponovo ide u optok. Ukoliko s pomoću aditiva smanjimo sklonost ulja pjenjenju, obično pogoršamo brzinu izlučivanja zraka iz ulja. Usklađivanje ta dva svojstva stoga predstavlja izazov za proizvođače maziva.

Problemi s ulazom zraka u ulje i pjenjenjem su prilično česti, a uz to ih je obično teško ukloniti. Nekad je standardni postupak bila provedba testa pjenjenja prema standardu ASTM D892 i zatim neselektivno dodavanje sredstva protiv pjenjenja, obično na osnovi silikona. Općenito, pjena je brzo nestala, no ujedno se i brzo vratila. Dodavali smo sve više sredstva protiv pjenjenja i ponavljali ciklus, sve dok sustav nije bio toliko preopterećen s dodatkom protiv pjenjenja, da je bilo potrebno zamijeniti ulje. Danas postoji više praktičnih metoda za utvrđivanje i uklanjanje uzroka pjenjenja, tako da obično ne treba primjenjivati dodatke protiv pjenjenja [1].

Sadržaj zraka u ulju i posljedice

U hidrauličkim uređajima s malim brojem ponovnog crpljenja tekućine (brojka govori koliko puta u jedinici vremena se sva tekućina koja je u spremniku ponovo crpi) nalazimo udjele neotopljenog zraka u veličini od 5 vol. % do 10 vol. % (to posebice vrijedi za mobilnu hidrauliku). Tako tekućina nema mogućnost izlučivanja zračnih mjehurića (kao i ne-čvrstih čestica nečistoća i ohladiti se), što često dovodi i do opasnosti prekomjernog pjenjenja ulja. To se može u uređaju pojaviti zbog najrazličitijih uzroka i u različitim oblicima. Zrak može biti vidljiv očima, jer se javlja u obliku pjena ili elementarnih zračnih mjehurića, a može biti i »nevidljiv«, jer je otopljen u tekućini. Taj oblik kasnije možemo primijetiti u elementarnom obliku, kada se promijene uvjeti (tlačni) rada, što je i usko povezano sa samom konstrukcijom pojedinih komponenata [2].

Najčešći uzroci prisutnosti zraka u ulju su svakako prodor zraka kroz nezabrtvljena mjesta (tzv. aeracija), pogrešna konstrukcija komponenata hidrauličkog sustava (npr. spremnik, cijevna mreža, ventili i ventilski blokovi …), ili velike, neprimjerene promjene radne točke, povezane s konstrukcijom hidrauličkog uređaja.

Pjene, koje se pojavljuju na površini tekućine u spremniku, zapravo nisu neposredno opasne i ne utječu na stlačivost hidrauličke tekućine. Opasni su zračni mjehurići, koji su u samoj tekućini, što dovodi do različitih posljedica. Tako prisutnost zračnih mjehurića u uređaju u prvom redu utječe na stlačivost tj. krutost tekućine, što posljedično ima veći ili manji utjecaj na samo djelovanje hidrauličkog uređaja, kao što su točnost gibanja aktuatora, pojava oscilacija, prijenos signala, potreba za promijenjenim postavkama parametara regulatora itd.

Zrak u ulju pogoršava i sposobnost podmazivanja ulja, ima nepovoljan utjecaj na starenje ulja i dolazi do prijevremene oksidacije ulja, ili čak do njegovog zapaljenja, uništavanja brtvi i posljedično propuštanja, pojavljuje se kavitacija na crpkama i drugim elementima [3].

Izlučivanje zračnih mjehurića

Spomenuli smo, da je zrak u manjoj ili većoj mjeri uvijek prisutan u ulju te posljedice te prisutnosti. Zato je vrlo važno, da ulje što prije izluči zrak iz ulja. Brzina izlučivanja zraka iz ulja možemo izmjeriti s uređajem, koji je prikazan na slici 1.

Slika 1: Uređaj za određivanje sposobnosti izlučivanja zraka iz ulja [4]

Brzinu izlučivanja zraka iz ulja možemo povećati sa smanjivanjem površinske napetosti, no na taj način povećavamo sklonost ulja pjenjenju.

Utjecaj baznog ulja i aditiva na pjenjenje

Bazna ulja su sama po sebi sklona pjenjenju, iako postoje neke razlike obzirom na njihov izvor i način prerade. Testovi su pokazali linearni odnos između sklonosti pjenjenju i površinskoj napetosti. U sustavu, gdje se pjena stvara mehanički, pjenjenje možemo smanjiti s prelaskom na sintetičko ulje.

Polialfaolefinska i hidrokrekirana ulja zbog svoje visoke površinske napetosti imaju relativno malu sklonost pjenjenju u usporedbi s ugljikovodicima na mineralnoj osnovi. Neaditivirani organski esteri se u biti ne pjene, no vrlo su osjetljivi na kontaminaciju i utjecaj aditiva. Fosfatni esteri pokazuju nakupljanje pjene pri niskim temperaturama, no iznad temperature 50 °C pokazuju vrlo malu sklonost pjenjenju. Poliglikole je teško kategorizirati, jer apsorbiraju vodu, što može utjecati na sklonost pjenjenju. Više istraživanja je pokazalo, da se bazna ulja najviše pjene pri viskoznosti od 280 mm2/s. Niža ili viša viskoznost mogu smanjiti količinu i stabilnost pjene [1].

Najčešći dodatak protiv pjenjenja, kojeg primjenjujemo u uljima, temelji se na silikonu u obliku polidimetil polisiloksana. Silikoni imaju vrlo nisku površinsku napetost i nakupljanju se na granicama zrak/ulje. Kako bi bili učinkoviti kao sredstvo protiv pjenjenja, moraju biti netopivi u ulju, dok čestice silikona moraju biti manje od 5 do 7 mikrometara, kako bi se osiguralo dugoročno djelovanje. Mehanizam djelovanja aditiva protiv pjenjenja je jednostavan. Do kontakta sa zračnim mjehurićima dolazi na njegovom rubu i širi se oko mjehurića. Kada se šire, smična sila stanjuje stijenku mjehurića, sve dok ne pukne. Silikon je mnogo gušći od okolišne tekućine i mnogo gušći od bilo kojeg mjehurića, stoga usporava napredovanje mjehurića na površinu i s time izlučivanje zraka iz ulja. Slika 2 prikazuje eksperimentalne učinke silikona na stvaranje zračnih mjehurića i njihovo izlučivanje iz ulja. Vidimo, da silikon smanjuje količinu nastalih mjehurića, a tijekom faze izlučivanja ih dulje vrijeme zadržava u ulju [1].

Slika 2: Utjecaj silikona na izlučivanje zraka [1]

Silikonski dodatci protiv pjenjenja su uspješni pri gašenju pjene prije svega u turbulentnim sustavima. Međutim potrebno ih je dodavati pravilno i samo, ukoliko uzrok problema nije moguće ukloniti. Molekulna masa i metoda miješanja su ključni za njihovu učinkovitost. Potrebno ih je dodavati vrlo sporo u najturbulentniji dio sustava.

U industrijskim uljima često kao dodatak primjenjujemo i akrilatne kopolimere. Kod njih je manje vjerojatno, da će uzrokovati unos zraka. Unatoč tome prekomjerno dodavanje može uzrokovati unos zraka i mogu reagirati s drugim aditivima. Pokazalo se, da reagiraju s polibutenima, koje obično primjenjujemo kao sredstva za poboljšavanje indeksa viskoznosti, zato ih obično ne primjenjujemo u uljima, koja sadrže ta sredstva [1].

Zaključak

Naveli smo uzroke za prisutnost zraka u ulju i moguće posljedice. Važno je, da ulje zrak izluči što brže. Na to možemo utjecati s formulacijom ulja. Međutim, povećanje brzine izlučivanja zraka obično znači veću sklonost ulja pjenjenju, koje je također nepoželjno. Usklađivanje ta dva parametra je zbog toga svojevrstan izazov za proizvođače ulja.

Izvori

[1] M. Duncanson, „Controlling oil aeration and foam,“ Noria Corporation, [Elektronski]. Available: https://www.machinerylubrication.com/ Articles/Print/255. [Poskus dostopa 30. 3. 2023].

[2] D. Lovrec in V. Tič, „Stisljivost hidravličnega olja in vpliv zraka,“ Ventil, Izv. 6, pp. 492–498, 2022.

[3] D. Lovrec, „Vzroki za prisotnost zraka v hidravličnem sistemu,“ Ventil, Izv. 4, pp. 310–317, 2016.

[4] „Air release properties of petroleum oil,“ Normalab, [Elektronski]. Available: https://www.normalab.com/en/produit/arv-tech/. [Poskus dostopa 30. 3. 2023].

Jeste li znali?

Brzinu izlučivanja zraka iz ulja možemo izmjeriti.

Sadržaj zraka u mineralnom ulju može iznositi i do 10 %.

Silikon smanjuje količinu pjena, ali usporava izlučivanje zraka iz ulja.

Povećanje brzine izlučivanja zraka iz ulja obično uzrokuje veću sklonost ulja pjenjenju.