Co dzieje się z olejem hydraulicznym podczas intensywnej pracy prasy i dlaczego temperatura ma znaczenie?

Gdy prasa hydrauliczna pracuje przez kilka godzin pod dużym obciążeniem, olej nie jest już tylko medium przenoszącym ciśnienie. Jednocześnie smaruje pompę i zawory, uszczelnia współpracujące powierzchnie, odprowadza ciepło i wynosi z elementów układu produkty zużycia. Problem zaczyna się wtedy, gdy ilość ciepła powstającego w układzie jest większa niż zdolność zbiornika, przewodów i chłodnicy do jego oddawania.

W praktyce pierwszym sygnałem często nie jest alarm temperatury. Prasa zaczyna pracować trochę inaczej: cykl się wydłuża, siłownik wolniej buduje nacisk, pompa staje się głośniejsza, pojawiają się drobne wycieki albo operator zauważa, że po dwóch godzinach maszyna zachowuje się gorzej niż kilka minut po uruchomieniu. To właśnie wtedy warto spojrzeć na temperaturę i lepkość oleju, zanim zacznie się wymieniać pompę, zawory czy uszczelnienia.

Co dokładnie dzieje się z olejem, gdy prasa pracuje pod dużym obciążeniem?

Olej hydrauliczny nagrzewa się przede wszystkim dlatego, że układ nie pracuje ze stuprocentową sprawnością. Część energii dostarczanej przez silnik elektryczny zamienia się w użyteczną pracę siłownika, a część zostaje zamieniona w ciepło.

Najwięcej energii traci się zwykle na:

• dławieniu przepływu na zaworach,
• pracy zaworu przelewowego,
• przeciekach wewnętrznych pompy, rozdzielaczy i siłowników,
• oporach przepływu w zbyt małych przewodach,
• zabrudzonych filtrach,
• długiej pracy pompy przy wysokim ciśnieniu bez wykonywania użytecznej pracy,
• zużyciu elementów hydraulicznych zwiększającym przecieki wewnętrzne.

Szczególnie niekorzystna jest sytuacja, w której pompa cały czas tłoczy duży strumień oleju, a jego część wraca do zbiornika przez zawór przelewowy. Spadek ciśnienia zamienia wtedy moc hydrauliczną praktycznie bezpośrednio w ciepło.

Skalę można łatwo ocenić. Moc hydrauliczna wynosi w przybliżeniu:

P [kW] = ciśnienie [bar] × przepływ [l/min] / 600

Jeżeli przez zawór przelewowy przepływa 40 l/min przy różnicy ciśnień 200 bar, mamy około 13,3 kW mocy hydraulicznej. Jeżeli energia ta nie wykonuje użytecznej pracy, znaczna jej część kończy jako ciepło. To dużo. Niewielki zbiornik oleju nie jest w stanie bez końca rozpraszać takiego obciążenia cieplnego.

Wraz ze wzrostem temperatury spada natomiast lepkość oleju. I tutaj zaczyna się sprzężenie zwrotne: rzadszy olej łatwiej przeciska się przez szczeliny pompy i zaworów, więc rosną przecieki wewnętrzne. Rosnące przecieki oznaczają większe straty energii, a większe straty — kolejne porcje ciepła.

Dlatego maszyna z zużytą pompą potrafi pracować stosunkowo poprawnie przez pierwszych kilkanaście minut, a po nagrzaniu wyraźnie tracić wydajność. Nie zawsze winny jest wtedy „zły olej”. Czasem temperatura jedynie ujawnia zużycie, które na zimnym, gęstszym oleju było częściowo maskowane.

Niebezpieczna jest również druga skrajność. Bardzo zimny olej jest zbyt lepki. Pompa ma wtedy większe opory na ssaniu, wolniej napełniają się jej komory robocze, rosną straty mechaniczne, a przy niekorzystnych warunkach może pojawić się kawitacja. Dlatego uruchamianie zimnej prasy od razu na pełnym obciążeniu nie jest dobrym sposobem na „szybsze rozgrzanie hydrauliki”.

Ile stopni to za dużo i dlaczego sama temperatura nie wystarcza?

Nie istnieje jedna graniczna temperatura właściwa dla każdej prasy. Trzeba sprawdzić dokumentację pompy, zaworów, uszczelnień oraz konkretnego oleju. To właśnie lepkość w rzeczywistej temperaturze pracy jest jednym z najważniejszych parametrów.

Dla wielu przemysłowych układów hydraulicznych korzystne warunki pracy przypadają mniej więcej na zakres 30–50 mm²/s, czyli cSt, choć dopuszczalny zakres poszczególnych komponentów może być znacznie szerszy. Spotyka się przykładowo urządzenia dopuszczające około 10–100 cSt jako preferowany zakres pracy, podczas gdy wartości skrajne są dopuszczane jedynie w określonych warunkach.

To istotne przy popularnych w Polsce olejach ISO VG 32, ISO VG 46 i ISO VG 68. Liczba w oznaczeniu klasy ISO VG określa nominalną lepkość kinematyczną przy 40°C. Olej ISO VG 46 ma więc w tej temperaturze lepkość około 46 mm²/s, ale przy 70°C będzie już znacznie rzadszy. Nie można zatem powiedzieć, że „VG 46 jest zawsze odpowiedni”, nie znając temperatury pracy i wymagań pompy.

W typowej prasie przemysłowej dobrze zaprojektowany układ często utrzymuje olej w zbiorniku mniej więcej w obszarze 40–60°C. Temperatura zbliżająca się podczas normalnej, ciągłej pracy do 70°C powinna już sprowokować sprawdzenie dokumentacji maszyny i znalezienie źródła ciepła. Przy 80°C i więcej wiele standardowych układów pracuje już w obszarze, którego nie powinno się traktować jako normalnego stanu eksploatacyjnego, nawet jeśli pojedynczy komponent katalogowo dopuszcza taką temperaturę.

To ważne rozróżnienie. Temperatura dopuszczalna nie jest tym samym co temperatura optymalna do wielogodzinnej pracy.

Wysoka temperatura przyspiesza kilka niekorzystnych procesów jednocześnie.

Po pierwsze, postępuje utlenianie oleju. Powstają produkty starzenia, rośnie liczba kwasowa, mogą tworzyć się laki i osady. Zanieczyszczenia te trafiają później między innymi do precyzyjnych szczelin zaworów proporcjonalnych i serwozaworów.

Po drugie, cierpią uszczelnienia. Ich rzeczywista odporność zależy od materiału — NBR, FKM czy innych elastomerów mają inne zakresy temperatur — dlatego przy modernizacji układu nie można dobierać oleju lub podnosić temperatury pracy wyłącznie na podstawie parametrów pompy.

Po trzecie, maleje lepkość. Przy zbyt cienkiej warstwie smarnej rośnie ryzyko kontaktu współpracujących powierzchni w pompie. Szczególnie kosztowne konsekwencje pojawiają się w pompach tłokowych i łopatkowych, gdzie jakość filmu olejowego bezpośrednio wpływa na trwałość elementów roboczych.

Jest jeszcze jedna pułapka: temperatura wyświetlana przez czujnik w zbiorniku nie musi być najwyższą temperaturą występującą w układzie. Olej w obudowie pompy, przewodzie drenowym albo lokalnie za elementem dławiącym może być cieplejszy. Jeżeli prasa pracuje na granicy dopuszczalnych parametrów, pojedynczy czujnik zamontowany w chłodniejszej części zbiornika daje zbyt optymistyczny obraz sytuacji.

Dlatego przy problemach termicznych warto zanotować temperaturę nie raz, ale w funkcji czasu: przy zimnym starcie, po 15 minutach, po 30 minutach, po godzinie oraz po osiągnięciu pełnego obciążenia produkcyjnego. Znacznie więcej mówi wykres wzrostu temperatury niż pojedyncze „62°C” odczytane przypadkowo w połowie zmiany.

Jak znaleźć źródło przegrzewania, zamiast od razu montować większą chłodnicę?

Najczęstszy błąd to rozpoczęcie od chłodnicy. Maszyna się grzeje, więc montuje się większy wymiennik i problem znika z wyświetlacza. Tyle że przyczyna strat energetycznych nadal pozostaje w układzie.

Diagnostykę lepiej prowadzić od źródła strat.

Najpierw trzeba sprawdzić zachowanie ciśnienia i przepływu w poszczególnych fazach cyklu. Jeśli prasa przez znaczną część czasu utrzymuje wysokie ciśnienie, podczas gdy siłownik się nie porusza, trzeba ustalić, gdzie płynie wtedy olej. Zawór przelewowy stale odprowadzający duży przepływ do zbiornika potrafi pełnić funkcję bardzo skutecznej — i bardzo drogiej — grzałki.

Drugi punkt to spadek ciśnienia na filtrze. Zatkany wkład zwiększa opory przepływu. Sam wskaźnik zabrudzenia również wymaga rozsądnej interpretacji, ponieważ lepkość zimnego oleju chwilowo zwiększa różnicę ciśnień. Ocena filtra tuż po zimnym starcie może więc prowadzić do błędnych wniosków.

Trzeci krok to pompa. Jeżeli wraz z temperaturą:

• spada rzeczywisty wydatek pompy,
• wydłuża się czas ruchu siłownika,
• rośnie temperatura przewodu drenowego,
• maszyna potrzebuje coraz większych obrotów lub dłuższego czasu, aby wykonać tę samą pracę,

podejrzenie powinno paść na rosnące przecieki wewnętrzne. Dolanie gęstszego oleju może chwilowo ograniczyć objawy, ale nie naprawia zużytej pompy. Co więcej, zbyt wysoka lepkość po zimnym rozruchu może stworzyć kolejny problem na stronie ssawnej.

Trzeba też sprawdzić chłodzenie. W chłodnicy powietrznej banalną przyczyną bywa warstwa pyłu i mgły olejowej na lamelach, uszkodzony wentylator albo niewłaściwy kierunek przepływu powietrza. Przy wymienniku olej–woda należy zweryfikować przepływ i temperaturę wody oraz stan kanałów. Osad ograniczający wymianę ciepła potrafi stopniowo podnosić temperaturę przez wiele miesięcy, mimo że sama chłodnica mechanicznie jest sprawna.

Nie można pominąć zbiornika. Za mała ilość oleju oznacza krótszy czas przebywania cieczy w zbiorniku i mniejszą powierzchnię oddawania ciepła. Utrzymywanie poziomu tuż nad minimum nie daje żadnej oszczędności eksploatacyjnej. Przeciwnie — zmniejsza rezerwę cieplną układu i może pogorszyć odpowietrzanie oleju.

Do tego dochodzi czystość. W nowoczesnej hydraulice nie wystarczy stwierdzenie, że olej „wygląda czysto”. Stan powinien być oceniany według klasy czystości ISO 4406, zgodnie z wymaganiami najbardziej wrażliwego komponentu. W niektórych urządzeniach spotyka się wymaganie rzędu 20/18/15, podczas gdy układy z bardziej czułą aparaturą mogą wymagać wyższej czystości. Granicę zawsze narzuca dokumentacja konkretnego podzespołu.

Jeżeli olej regularnie osiąga wysoką temperaturę, sensowne jest również badanie próbki. Sam kolor jest kiepskim narzędziem diagnostycznym. Znacznie więcej mówi lepkość, liczba kwasowa, zawartość wody, liczba cząstek, obecność metali zużyciowych i produkty utleniania. Próbkę trzeba jednak pobierać z właściwego miejsca pracującego układu, a nie z dna zbiornika po weekendowym postoju.

Dopiero po sprawdzeniu strat należy decydować o większej chłodnicy. Jeżeli prasa rzeczywiście generuje dużo ciepła z powodu charakteru procesu — na przykład długo pracuje pod wysokim ciśnieniem albo wykonuje bardzo szybkie cykle — dodatkowa moc chłodnicza może być całkowicie uzasadniona. Jeżeli jednak kilkanaście kilowatów znika stale na dławieniu, większy wymiennik będzie usuwał skutek źle pracującego układu, zamiast przyczyny.

Przy diagnostyce i modernizacji układów pras dodatkowe informacje można znaleźć na: https://hydrapres.pl.

FAQ — temperatura oleju hydraulicznego w prasie

Jaka temperatura oleju hydraulicznego jest najlepsza podczas pracy prasy?
Nie ma jednej wartości dla wszystkich konstrukcji, ale w wielu przemysłowych układach hydraulicznych zakres około 40–60°C zapewnia korzystne warunki pracy. Ostatecznym kryterium jest wymagana lepkość oleju oraz dopuszczalne temperatury pompy, zaworów, przewodów i uszczelnień określone przez producentów.

Czy 70°C oleju hydraulicznego oznacza awarię?
Nie musi oznaczać awarii, ale przy ciągłej pracy jest to temperatura, której nie należy ignorować. Trzeba sprawdzić wymaganą lepkość roboczą oleju i limity komponentów oraz ustalić, dlaczego układ generuje tak dużo ciepła. Szczególnie podejrzany jest przypadek, gdy dawniej ta sama prasa utrzymywała 50–55°C, a obecnie przy takim samym cyklu dochodzi do 70°C.

Czy można rozwiązać przegrzewanie, przechodząc z ISO VG 46 na ISO VG 68?
Nie powinno się robić tego bez obliczenia lepkości w całym zakresie temperatur. VG 68 będzie bardziej lepki po rozgrzaniu, ale podczas zimnego startu również będzie wyraźnie gęstszy. Może to zwiększyć opory ssania pompy i pogorszyć zachowanie maszyny po uruchomieniu. Zmiana klasy lepkości nie jest naprawą zużytej pompy ani źle ustawionego układu.

Dlaczego prasa działa poprawnie na zimno, a po godzinie traci siłę lub zwalnia?
Jedną z częstszych przyczyn są przecieki wewnętrzne rosnące po spadku lepkości rozgrzanego oleju. Trzeba zmierzyć ciśnienie oraz rzeczywisty przepływ pompy na zimnym i rozgrzanym układzie. Warto też porównać czas wykonania tego samego ruchu siłownika w obu warunkach.

Czy wysoka temperatura oznacza, że trzeba wymienić olej?
Nie automatycznie. Nowy olej również szybko się nagrzeje, jeśli przyczyną jest zawór przelewowy, zużyta pompa, zatkany filtr lub niesprawna chłodnica. Jeżeli olej pracował długo w podwyższonej temperaturze, jego stan należy ocenić badaniem próbki i dopiero wtedy zdecydować o wymianie.

Czy wystarczy mierzyć temperaturę oleju w zbiorniku?
Do codziennego nadzoru często tak, ale do diagnostyki nie zawsze. Lokalnie wyższa temperatura może występować w drenie pompy, przy zaworach dławiących lub w innych obciążonych fragmentach układu. Jeżeli problem pojawia się dopiero po rozgrzaniu, warto porównać kilka punktów pomiarowych.

Od czego zacząć, jeśli prasa zaczęła się przegrzewać?
Najpierw nie wymieniaj oleju i nie kupuj większej chłodnicy. Sprawdź, gdzie podczas pełnego cyklu tracona jest moc hydrauliczna: zmierz temperaturę po kolejnych etapach pracy, ciśnienie układu, stan i spadek ciśnienia na filtrze oraz ustal, czy duży przepływ nie wraca do zbiornika przez zawór przelewowy. Jeśli wcześniej poprawnie pracująca prasa nagle zaczęła osiągać wyższe temperatury, w pierwszej kolejności szukaj zmiany — zużycia pompy, zwiększonego dławienia, problemu z filtrem albo pogorszenia chłodzenia. Dopiero gdy te elementy są sprawne, ma sens zwiększanie wydajności układu chłodzenia.