HYDRAULICKÉ OLEJE BEZ OBSAHU ZINKU

V súčasnej dobe  sa často stretávame s otázkou „Aké výhody, resp. aký je prínos z hydraulických olejov bez obsahu zinku ?“. V ďalšej časti príspevku budeme hľadať odpoveď na túto otázku. Možno povedať, že hydraulický olej je iný, ako ostatné mazacie prostriedky, mazivá. Je to dané tým, že hydraulický olej musí spĺňať prevádzkové, multifunkčné požiadavky hydraulických prevodov. Hydraulické prevody na základe zákonov hydrauliky používajú kvapaliny, hydraulické oleje okrem mazania jednotlivých trecích časti  najmä naprenos a regulaciu sily,a to všade tam, kde je potrebné znásobenie tlaku alebo kde sa vyžaduje presná a spoľahlivá regulácia. Hneď v úvode možno povedať, že hydraulické oleje bez obsahu zinku boli formulované na základe požiadaviek, ktoré vyplynuli z prevádzkových podmienok, ktoré sa vyskytujú najmä v prípade mobilných strojov a to hlavne vtedy ak pracujú  vo  vlhkom prostredí, čo vedie často k nefunkčnosti (zanášanie) olejových filtrov a ďalšie problémy.

Hydraulické oleje podľa  úžitkových vlastností a vzhľadom na konštrukciu, výkon a pracovné podmienky hydraulických systémov, a teda aj na spôsob prenosu energie kvapaliny rozdeľujeme na kvapaliny pre hydrostatické a hydrodynamické prevody. Hydrostatické prevody sú charakterizované ako systémy, kde pohybová energia pohonnej kvapaliny v celom systéme je malá, konštantná a statická energia je veľká. Hydraulické hydrostatické systémy sa skladajú z niekoľkých častí, a to olejová nádrž, zdroj tlaku, čerpadlo (hydrogenerátor), riadiace prvky pre usmernenie tlaku a prietoku, pre zmenu tlaku na mechanický pohyb (hydraulický motor), potrubie a ďalšie prvky potrebné naprevádzku hydraulického systému.

Z uvedeného vyplýva, že hydraulický olej musí byť odlišný od ostatných bežných mazacích olejov. Z toho dôvodu sa od hydraulického oleja vyžaduje tepelná,  oxidačná a hydrolytická stabilita, odolnosť proti peneniu, dobrá odlúčivosť vzduchu, odolnosť proti opotrebovaniu (AW), filtrovateľnosť, deemulgačná schopnosť (odlúčivosť vody), dobrá ochrana  proti korózii, tvorbe hrdze a zabezpečenie optimálnej hrúbky olejového (mazacieho) filmu v každých prevádzkových podmienkach. Okrem toho treba spomenúť aj modul objemovej pružnosti (stlačiteľnosť kvapaliny), ktorý je dôležitý najmä v prípade vyšších prevádzkových tlakov  (nad 25 MPa). Vyššia stlačiteľnosť oleja ovplyvňuje presnosť a výkonnosť hydraulických systémov.

Všeobecne na základe uvedeného platí, že pre voľbu hydraulického oleja, kvapaliny je rozhodujúca viskozita. S viskozitou súvisí trenie v kvapaline, mazanie, objemové straty v hydrogenerátore a vo ventiloch, tlakové zmeny, objemová účinnosť a kavitácia. Pre zariadenia, ktoré pracujú v širokom rozsahu pracovných teplôt, treba brať do úvahy zmeny viskozity s teplotou. Kvapalina, olej musia mať dobrú tekutosť, čerpateľnosť pri nízkych vonkajších teplotách (nábeh čerpadla) a pri vysokých pracovných teplotách nesmie hodnota kinematickej viskozity klesnúť pod 10 mm².s^-1. Táto hodnota, minimálna viskozita, je veľmi závislá od konštrukcie hydrogenerátora, čerpadla a podľa výrobcov by mala byť v rozsahu 12 až 15 mm².s^-1

Vzhľadom na prevádzkové podmienky treba pamätať, že kvapalina, oleje sú vystavené v hydraulickom systéme vysokému tlaku a častým tlakovým a rýchlostným zmenám. Na porovnanie,prevádzkové tlaky napr. v stavebných strojoch sú 25 až 45 MPa, obrábacích strojoch 2,5 až 6 MPa a regulačných prvkoch 0,5 až 0,6 MPa.

V hydraulických systémoch musíme veľkú pozornosť venovať obsahu vlhkosti, vody. Vlhkosť urýchľuje starnutie oleja, podporuje koróziu a tvorbu emulzií, vznik kalov, ktoré obmedzujú prietok oleja, zanášajú filtre, regulačné, hydraulické prvky a spôsobujú ich funkčné poruchy.

Treba uviesť, že na vlhkosť sú citlivé najmä oleje obsahujúce prísadu na báze zinku, ZDDP (Zinc dialkyldithiophosphate). Prísada ZDDP vzniká na základe chemickej reakcie medzi kysličníkmi zinku a organickou thiophosphorickou kyselinou. Prísada ZDDP  obsahuje fenolové a amínové zložky, ktoré neutralizujú voľné radikály a zabraňujú oxidačným reakciám.

Niektoré ZDDP účinkom vody hydrolyzujú za vzniku produktov korodujúcich (farebné kovy) meď a jej zliatiny, ktoré sa často používajú, ako materiály v axiálnych piestových čerpadlách a okrem toho nastáva strata účinnosti ZDDP, ako protioderovej (AW) prísady na oceľových trecích povrchoch. Vzhľadom na uvedené problémy sa v súčasnosti uvádzajú nové formulácie  hydraulických olejov, čo sa týka obsahu zinku v oleji. Ide o  tri nové základné typy, formulácie systému prísad v hydraulických olejoch:

• Oleje s vysokým obsahom zinku (obsah Zn 0,07 % hm alebo vyšší)
• Oleje s nízkym obsahom zinku (obsah Zn menší ako 0,07 % hm)
• Oleje s obsahom bezpopolnatých prísad (bez obsahu zinku alebo iných kovov prítomných v oleji)

Pozornosť venujeme hydraulickým olejom bez obsahu zinku (bezpopolné prísady) v ktorých sa všeobecne používa systém prísad s obsahom síry a fosforu. Ide o fosfátové alebo sírené estery a mastné kyseliny. Molekuly týchto látok vytvárajú ochranný film (AW), ktorý sa adsorbuje na kovových povrchoch.

Prísne požiadavky sú aj na obsah a veľkosť mechanických nečistôt. Odporúčaná úroveň tried čistoty kvapalín sa stanovuje podľa normy ISO 4406-99, resp. normy NAS 1638. Odporúčané kódy čistoty hydraulických kvapalín sú uvedené v STN 65 6206 pre jednotlivé skupiny hydrostatických prvkov a tiež  triedy čistoty a  menovitá filtračná schopnosť v závislosti od menovitého tlaku. Olejárske spoločnosti dodávajú kvalitné hydraulické oleje v triedach čistoty 7 až 9 podľa NAS 1638, ktoré sa používajú v priemyselných hydraulických systémoch. Treba spomenúť, že nové označenie podľa ISO 4406-99 uvádza triedy čistoty s označením napr. 14/12/10. To znamená, že hodnotenie je pre častice veľkosti väčšej ako 4 μm, 6 μm a 14 μm v 1 ml oleja. Ako hydraulické kvapaliny sa používajú ropné a syntetické oleje,  vodné roztoky a emulzie. Ropné hydraulické oleje sa vyrábajú z kvalitných rafinátov s dobrou oxidačnou stálosťou a s vysokými viskozitnými indexmi. Ide o základové oleje II. a III. skupiny podľa hodnotenia API, resp. syntetické oleje na báze polyalfaolefínov (PAO), skupina IV.

Na zlepšenie filtrovateľnosti oleja a zabezpečenie spoľahlivosti hydraulických systémov sa začali používať hydraulické oleje, ktoré sú označované ako superstále hydraulické oleje s kontrolovanou schopnosťou odlučovania vody.

Náročné prevádzkové podmienky, presnejšie lícovanie hydraulických prvkov si vyžaduje väčšiu čistotu hydraulických olejov. V súčasnosti sa používajú filtre v niektorých prípadoch s jemnosťou 5 až 3 m

Po tom všetkom čo bolo uvedené o hydraulických olejoch vrátime sa k otázke „Aký je prínos hydraulických olejov bez obsahu zinku ?“. Jednoduchá odpoveď je tá, že hydraulické oleje s obsahom zinku (ZDDP) nie sú vhodné pre niektoré prevádzkové podmienky, ako je vlhké prostredie (hydrolýza), čo viedlo potom  k zmene vo formulácii prísad, teda používaniu hydraulických olejov bez obsahu zinku (bez popolné prísady). Podobná situácia bola v nedávnej minulosti aj v sortimente turbínových olejov, kde výrobcovia parných turbín žiadali turbínové oleje bez obsahu zinku. V podstate je to veľmi podobný, možno povedať autentický prípad. Prísada ZDDP je multifunkčná prísada, používa sa ako prísada proti opotrebovaniu (AW) a ako antioxidant vo formulácii viacerých druhov mazacích olejov, mazív. Jej dobré vlastnosti sa prejavujú najmä v podmienkach hraničného trenia, mazania tým, že vytvára ochranné (AW) vrstvy, ktoré znižujú trenie v trecích uzloch.

Treba uviesť, že za určitých prevádzkových podmienok môže nastať  úbytok prísady.

Všeobecne úbytok prísad závisí od typu prísad a tiež na prevádzkových podmienkach. V prítomnosti kovov, vody za vyššej teploty môže prebiehať katalyzovaná oxidácia, čo má veľký vplyv na funkčné vlastnosti mazacieho oleja a najmä na jeho životnosť. Prísada, ktorá obsahuje kov (zinok)  má priaznivý vplyv na elektrickú vodivosť olejov a predpokladá sa, že sa tým  zabraňuje vzniku elektrostatického náboja (iskrovému výboju).

Elektrická vodivosť sa udáva v pS/m (pikosiemensoch) a pre hydraulické oleje s obsahom prísady ZDDP  je  táto hodnota v rozsahu 250 až 2 000 pS/m. Treba uviesť, že všeobecne pre mazacie oleje minimálna požadovaná  hodnota elektrickej vodivosti pri 20 °C by nemala byť menšia ako 400 pS/m.

Elektrostatický výboj  ESD (Elektrostatic Spark Discharge) je výsledkom akumulácie vnútro molekulárneho trenia, vznikajúceho vtedy, ak olej prúdi cez veľmi úzke tolerancie pri vysokom prietoku. ESD vzniká tiež pri plnom prietoku cez mikro mechanické filtre, hraničnom mazaní a samotný výboj môže byť bez záblesku (tmavý výboj) pri ktorom sa dosiahnu teploty v rozsahu od 5 000 do 10 000 °C a iskrový výboj so zábleskom (plný), pri ktorom v rozmedzí nano sekundy môže stúpnuť teplota v rozsahu od  10 000  až do 20 000 °C. Treba poznamenať, že iskrové výboje produkujú kovové ióny a vodu.

Iskrové výboje rozbíjajú (krakujú) molekuly oleja a pritom vznikajú voľné radikály, ktoré polymerizujú do dlhých reťazcov, čo vedie k tvorbe produktov starnutia oleja. Okrem toho môžu spôsobiť poškodenie mazacieho systému, ako sú napr. ventily a olejové filtre. Voda, vysoké tlaky a teploty často zapríčiňujú, že v nestabilizovaných olejoch vznikajú látky, usadeniny, ktoré zanášajú, blokujú jemné filtre a tým znižujú kvalitu hydraulického oleja.

V súčasnosti sa rieši najmä otázka degradácie hydraulických olejov, a to z dôvodu vysokých prevádzkových teplôt, mikrodieselizácie (adiabatická kompresia), horúce miesta v mazacom systéme a iné. Pri takýchto náročných prevádzkových podmienkach vznikajú živice, laky a kaly. Nebezpečné sú najmä laky, ktoré nie je možné odstrániť bežným dostupným spôsobom, napr. filtráciou. Na obrázku č.1 sú uvedené výsledky z analýzy, kontroly hydraulického oleja pomocou skúšky MPC (Membrane Patch Colorimetric), skúšky na membráne (0,45 µm) podľa ASTM D2.CO.01 WK 13070.

Treba uviesť, že čím farba vzorky oleja je tmavšia, tým vyššia je hodnota MPC a tá môže byť až 100. Ak sú hodnoty MPC 20 a nižšie, hydraulický olej vyhovuje prevádzke.

Potom všetkom čo sme uviedli o hydraulických olejoch s obsahom a bez obsahu zinku (ZDDP)  je možno uviesť stručnú odpoveď, prečo používať oleje bez obsahu zinku. Hlavný význam, podnet pre vývoj, resp.  používanie hydraulických olejov bez obsahu zinku je v tom, že zabraňujú vzniku lakových  a kalových formácií pri vysokých teplotách, sú odolne proti hydrolýze a  priaznivejšie voči životnému prostrediu (obsah ťažkých kovov).

Všeobecne možno povedať, že hydraulické oleje bez obsahu zinku majú vyššiu oxidačnú stabilitu a sú vhodné najmä pre hydraulické stroje, zariadenia, ktoré pracujú vo vlhkom prostredí. Treba ale uviesť, že ich cena je vyššia ako hydraulických olejov s prísadou ZDDP. Hydraulické oleje s obsahom prísady ZDDP napriek uvedeným problémom majú svoje stále miesto v sortimente mazív.

Na záver treba sa vyjadriť k miešateľnosti hydraulických olejov. Podľa odporúčania niektorých výrobcov hydraulické oleje s obsahom a bez obsahu zinku by sa nemali navzájom miešať. Okrem toho sa odporúča hydraulický systém pred ich zámenou prepláchnuť.

Ing. Jozef Stopka