Chương 3: Dầu thủy lực gốc dầu mỏ

Ngoài việc truyền năng lượng, dầu gốc dầu mỏ còn có một chức năng quan trọng khác: bôi trơn. Cả hai chức năng — truyền năng lượng và bôi trơn — đều chịu ảnh hưởng mạnh bởi độ nhớt. Điều này khiến độ nhớt trở thành tính chất quan trọng nhất của dầu thủy lực.

Bôi trơn

Bôi trơn là quá trình làm giảm ma sát giữa hai bề mặt tiếp xúc và chuyển động tương đối với nhau.

Bôi trơn là một chức năng quan trọng của dầu thủy lực. Nếu không có bôi trơn, ma sát giữa các bộ phận chuyển động sẽ gây mài mòn quá mức và sinh nhiệt.

Ma sát

Ma sát là một lực cản lại chuyển động. Ngay cả những bề mặt trông có vẻ nhẵn cũng đều gồ ghề ở cấp độ vi mô. Khi hai bề mặt cọ xát vào nhau, các điểm lồi vi mô tiếp xúc, biến dạng, hàn dính tạm thời với nhau rồi tách ra — chính quá trình tách ra này tạo ra ma sát. Bề mặt càng gồ ghề thì lực trượt cần thiết càng lớn và lượng ma sát sinh ra càng nhiều.

Hình 3-1: Ma sát xảy ra khi các điểm lồi vi mô trên hai bề mặt tiếp xúc, hàn dính tạm thời rồi tách ra khi các bề mặt trượt lên nhau.

Màng dầu

Nếu có một lớp màng dầu nằm giữa hai bề mặt kim loại, thì sự tiếp xúc trực tiếp kim loại–kim loại sẽ bị loại bỏ. Thay vì trượt lên nhau, các bề mặt sẽ trượt trên lớp màng dầu, nhờ đó làm giảm đáng kể ma sát.

Bất kỳ chất lỏng nào cũng có thể hình thành một màng dầu, nhưng một số chất lỏng hiệu quả hơn những chất khác. Ví dụ, nước từng được sử dụng làm chất lỏng thủy lực đầu tiên, nhưng màng dầu do nước tạo ra yếu và dễ bị phá vỡ. Dầu thủy lực gốc khoáng tạo ra một màng dầu chắc chắn và bền hơn nhiều.

Tính chất bôi trơn

Tính bôi trơn là khả năng của một chất lỏng trong việc hình thành một màng khó bị phá vỡ. Tính chất này phụ thuộc vào:

1. Độ dày tự nhiên của màng chất lỏng.
2. Khả năng bám dính (dính bám) của chất lỏng lên bề mặt kim loại.

Dầu thủy lực gốc khoáng có khả năng bôi trơn xuất sắc. Đổ dầu này lên một tấm thép và bạn sẽ thấy một lớp màng dầu dày, lớn bao phủ toàn bộ bề mặt và duy trì ổn định ở đó. Đổ nước lên cùng tấm thép đó, một lớp màng mỏng hình thành nhưng dễ bị vỡ. Đổ thủy ngân, nó sẽ tụ thành những giọt hình cầu — thủy ngân gần như không bám dính vào thép, do đó khả năng bôi trơn của nó rất kém.

Hình 3-2 So sánh khả năng bôi trơn. Khả năng bôi trơn tốt đòi hỏi cả hai yếu tố: màng chất lỏng có độ dày tự nhiên đủ lớn và lực bám dính mạnh lên bề mặt kim loại. Dầu đáp ứng được cả hai tiêu chí này.

Độ nhớt phù hợp của dầu thủy lực phải cân bằng hai yêu cầu: dầu phải đủ đặc để tạo thành một màng bôi trơn tốt, nhưng đồng thời vẫn phải đủ lưu động để chảy tự do. Cân bằng này sẽ được phân tích chi tiết ở phần tiếp theo.

Ảnh hưởng của độ nhớt đến hệ thống

Dầu có hai chức năng quan trọng trong hệ thống thủy lực:

3. Là môi chất truyền năng lượng (Chương 2).
4. Là chất bôi trơn cho các bộ phận chuyển động bên trong.

Cả hai chức năng này — cũng như tác động cuối cùng của chúng lên hệ thống — đều chịu ảnh hưởng mạnh bởi độ nhớt. Trước tiên, chúng ta hãy định nghĩa độ nhớt, sau đó xem xét tác động của nó đến việc sinh nhiệt, bôi trơn, bôi trơn động, dòng chảy qua khe hở và nhiều yếu tố khác.

Các phân tử chất lỏng

Giống như mọi chất lỏng khác, dầu thủy lực gốc khoáng được cấu tạo từ các phân tử hút lẫn nhau. Lực hút phân tử trong chất lỏng mạnh hơn nhiều so với trong khí, nhưng yếu hơn trong chất rắn (nơi các phân tử bị cố định ở những vị trí nhất định). Vì các phân tử chất lỏng có thể trượt qua nhau, nên chất lỏng có khả năng chảy liên tục.

Độ nhớt

Độ nhớt là một tính chất cản trở sự chuyển động trượt qua nhau của các phân tử chất lỏng — đây là một dạng ma sát nội tại. Một chất lỏng có độ nhớt cao (như mật ong hoặc siro mạch nha) chảy chậm và gặp phải sức cản lớn. Một chất lỏng có độ nhớt thấp (như nước hoặc dầu ăn) chảy dễ dàng.

Tác động của nhiệt độ lên độ nhớt

Như đã đề cập ở trên, chất lỏng bao gồm các phân tử chuyển động liên tục và hút nhau. Khi các phân tử chuyển động chậm, lực hút giữa chúng mạnh hơn và độ cản đối với dòng chảy lớn hơn — độ nhớt cao. Khi các phân tử chuyển động nhanh (khi được đun nóng), lực hút suy yếu và độ nhớt giảm.

Mật rỉ đường lạnh lấy từ tủ lạnh có độ nhớt rất cao — nó chảy ra rất chậm và cần nhiều nỗ lực. Đun nóng trên bếp sẽ làm các phân tử chuyển động nhanh hơn, lực hút suy yếu, độ nhớt giảm và chất lỏng chảy dễ dàng qua phễu.

Giây Saybolt Vạn năng (SUS/SSU)

Một cách để đo độ nhớt của dầu là sử dụng đơn vị Giây Saybolt Vạn năng (SUS, còn gọi là SSU). Đơn vị SI tương ứng là centistokes (cSt). SUS được đặt theo tên George Saybolt, người đã đề xuất máy đo độ nhớt Saybolt cho Cục Tiêu chuẩn Hoa Kỳ (US Bureau of Standards) vào năm 1919.

Phương pháp: Đổ chất lỏng vào một bình chứa và đun nóng đến nhiệt độ thử nghiệm. Rút nút ở đáy ra và đồng thời khởi động đồng hồ bấm giờ. Dừng đồng hồ khi đúng 60 mL chất lỏng đã chảy xuống bình hứng. Khoảng thời gian trôi qua (tính bằng giây) chính là độ nhớt SUS tại nhiệt độ đó.

Ví dụ: Nếu dầu được đun nóng đến 100°F (37,7°C) mất 143 giây để chảy hết, thì độ nhớt của nó là 143 SUS @ 100°F (37,7°C). Nếu cùng loại dầu đó được đun nóng đến 130°F (54,4°C) và mất 82 giây để chảy hết: độ nhớt = 82 SUS (17,7 cSt) @ 130°F (54,4°C). Độ nhớt luôn phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó bạn luôn phải nêu rõ cả giá trị và nhiệt độ tương ứng. Cụm "150 SUS (32 cSt)" không kèm theo nhiệt độ là cách viết tắt của 150 SUS (32 cSt) @ 100°F (37,7°C).

Hình 3-5: Máy đo độ nhớt Saybolt. Dầu được đun nóng đến một nhiệt độ xác định, sau đó thời gian để đúng 60 mL dầu chảy vào bình hứng được đo. Thời gian (tính bằng giây) = độ nhớt SUS.

Ảnh hưởng của áp suất lên độ nhớt

Độ nhớt cũng thay đổi theo áp suất hệ thống. Khi áp suất tăng, độ nhớt cũng tăng theo (được thể hiện bởi đường cong trong hình). Việc tăng áp suất từ 0 lên 3.000 psi (207 bar) có thể làm tăng độ nhớt của dầu thủy lực công nghiệp điển hình khoảng 40%.

Hình 3-6 Độ nhớt tăng khi áp suất tăng. Ở áp suất 3.000 psi (207 bar), độ nhớt có thể cao hơn 40% so với độ nhớt ở áp suất khí quyển.

Ảnh hưởng của độ nhớt đến việc sinh nhiệt

Độ nhớt ảnh hưởng trực tiếp đến việc sinh nhiệt. Dầu có độ nhớt cao (ví dụ: 500 SUS / 107,9 cSt) tạo ra lực cản dòng chảy nội tại lớn hơn so với dầu có độ nhớt thấp (ví dụ: 150 SUS / 32 cSt), do đó sinh nhiều nhiệt hơn trong hệ thống.

Trong hầu hết các hệ thống thủy lực, dải độ nhớt làm việc nằm trong khoảng 150–250 SUS (32–53,9 cSt) ở 100°F (37,7°C).

Ảnh hưởng của độ nhớt đến khả năng bôi trơn

Độ nhớt là khả năng cản trở dòng chảy, nên có thể trông như một đặc tính không mong muốn. Tuy nhiên, nó ảnh hưởng lớn đến quá trình bôi trơn — đặc biệt quan trọng trong việc hình thành màng dầu tốt. Độ nhớt cao hơn đồng nghĩa với màng dầu dày hơn và bền hơn. Tuy nhiên, dầu cũng cần phải lưu thông tự do, do đó độ nhớt phù hợp phải cân bằng được cả hai yêu cầu này.

Hình 3-7 Độ dày màng dầu thay đổi theo độ nhớt. Độ nhớt cao tạo ra màng dầu dày hơn nhưng làm tăng sức cản dòng chảy. Độ nhớt thấp giúp dầu lưu thông dễ dàng hơn, song màng dầu mỏng có thể bị phá vỡ dưới tải trọng.

Ảnh hưởng của độ nhớt đối với bôi trơn động (thủy động)

Khả năng hình thành màng dầu chắc chắn là một tính chất quan trọng của dầu thủy lực gốc dầu mỏ. Chúng ta gọi khả năng này là tính bôi trơn. Có thể tưởng rằng các bộ phận chuyển động với tốc độ cao sẽ khó bôi trơn vì tốc độ cao sẽ làm trôi mất màng dầu — nhưng thực tế, độ nhớt của chất lỏng thường ngăn chặn hiện tượng này.

Khi một khối kim loại đứng yên đặt trên bề mặt kim loại đã bôi trơn bằng dầu và một lực đẩy tác động lên nó, mép phía trước của khối kim loại sẽ được nâng lên nhẹ. Dầu cản trở việc bị ép ra ngoài (do độ nhớt), và một lớp đệm dầu hình nêm hình thành dưới khối kim loại. Lớp đệm này nâng đỡ khối kim loại trong quá trình chuyển động — tương tự như một chiếc thuyền nổi trên mặt nước. Miễn là áp suất tác dụng lên khối kim loại đang chuyển động nằm trong một giới hạn nhất định, lớp đệm dầu sẽ ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai bề mặt kim loại. Đây là hiện tượng bôi trơn động (thủy động).

Các chất lỏng có độ nhớt thấp như nước, trong điều kiện tốc độ thấp và tải trọng cao, dễ bị ép ra ngoài — lớp đệm không thể hình thành đầy đủ và màng bôi trơn dễ bị phá vỡ.

Khi các bộ phận của hệ thống đang chuyển động, quá trình thủy động cung cấp khả năng bôi trơn tốt. Tuy nhiên, trong giai đoạn khởi động hoặc khi áp lực truyền động lên các bộ phận vượt quá mức cho phép, khả năng của dầu trong việc hình thành một màng bôi trơn chắc chắn (tính bôi trơn) trở nên đặc biệt quan trọng.

Hình 3-8: Bôi trơn thủy động. Khi khối trượt chuyển động, một lớp dầu hình nêm được hình thành để chịu tải và ngăn không cho các bề mặt tiếp xúc trực tiếp kim loại–kim loại.

Ảnh hưởng của áp suất lên độ nhớt

Độ nhớt cũng ảnh hưởng đến khả năng kín dầu của các khe hở nhỏ giữa các chi tiết chuyển động. Nhiều bộ phận thủy lực (bơm, mô-tơ, van) dựa vào việc kín bằng kim loại–kim loại — chẳng hạn như trong bơm pít-tông, không có gioăng cao su nào giữa pít-tông và xi-lanh. Chỉ tồn tại một màng dầu mỏng trong khe hở.

Các khe hở giữa những chi tiết này hoạt động như các lỗ tiết lưu cố định — chúng liên tục điều tiết một lượng nhỏ dòng rò. Dòng rò này vừa bôi trơn vừa tạo kín. Lượng rò quá ít dẫn đến bôi trơn không đủ; lượng rò quá nhiều khiến hệ thống mất lưu lượng, hiệu suất giảm và sinh nhiệt dư thừa.

Để đạt hiệu quả làm kín tốt nhất, khe hở cần được giữ ở mức nhỏ nhất có thể — nhưng không quá nhỏ đến mức dầu không thể bôi trơn, cũng không quá lớn gây rò rỉ quá mức. Khe hở tối ưu là sự cân bằng giữa khả năng làm kín và khả năng bôi trơn.

Khi độ nhớt của dầu quá thấp (dầu quá loãng), lượng rò rỉ qua các khe hở trở nên quá lớn. Điều này làm giảm lưu lượng dầu đến các cơ cấu chấp hành và sinh ra nhiệt thừa. Khi độ nhớt quá cao, màng dầu vẫn hình thành nhưng trở lực dòng chảy tăng lên và hiệu suất hệ thống giảm.

Hình 3-9: Ảnh hưởng của độ nhớt thấp đến rò rỉ bên trong. Với dầu loãng, lượng rò rỉ qua các khe hở kim loại–kim loại tăng lên, làm giảm lưu lượng dầu đến cơ cấu chấp hành.

Chỉ số độ nhớt

Độ nhớt của dầu thủy lực là một thông số quan trọng trong hệ thống thủy lực. Tuy nhiên, độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ; do đó, nếu hệ thống không thể duy trì nhiệt độ vận hành không đổi, độ nhớt của dầu phải tương đối ổn định trong toàn bộ dải nhiệt độ vận hành.

Chỉ số độ nhớt (VI) mô tả mức độ thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ. Mối quan hệ này sử dụng biểu đồ chuẩn về độ nhớt–nhiệt độ của ASTM (Hiệp hội Thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ): khi độ nhớt của dầu tại hai nhiệt độ khác nhau được biểu diễn trên biểu đồ này, kết quả thu được là một đường thẳng. Độ nhớt tại bất kỳ nhiệt độ nào khác có thể sau đó được đọc trực tiếp từ đường thẳng đó (phương pháp này chỉ áp dụng cho dầu gốc không chứa phụ gia hóa học; các phụ gia có thể ảnh hưởng đến mối quan hệ tự nhiên giữa độ nhớt và nhiệt độ).

Nếu hai đường cong độ nhớt của dầu được vẽ trên cùng một biểu đồ, đường nằm ngang hơn sẽ tương ứng với loại dầu có chỉ số độ nhớt cao hơn. Ví dụ:

• Dầu A: 153 SUS (33 cSt) ở 100°F (37,7°C) và 44 SUS (9,5 cSt) ở 210°F (98,9°C).
• Dầu B: 165 SUS (35,6 cSt) ở 100°F (37,7°C) và 42 SUS (9,1 cSt) ở 210°F (98,9°C).

Đường cong của Dầu A phẳng hơn — độ nhớt của nó thay đổi ít hơn theo nhiệt độ — do đó Dầu A có Chỉ số độ nhớt cao hơn.

Khi khái niệm Chỉ số Độ nhớt (VI) lần đầu tiên được giới thiệu, thang đo này dao động từ 0 (kém nhất, nhạy cảm nhất với nhiệt độ) đến 100 (tốt nhất, ít nhạy cảm nhất với nhiệt độ). Các phương pháp tinh luyện hiện đại có thể sản xuất ra dầu có chỉ số VI vượt quá 100. Trong các hệ thống thủy lực hiện đại, thường yêu cầu chỉ số VI ≥ 90, mặc dù đối với các hệ thống vận hành ở nhiệt độ tương đối ổn định thì chỉ số VI lại ít quan trọng hơn.

Hình 3-10: Biểu đồ độ nhớt–nhiệt độ theo tiêu chuẩn ASTM. Đường biểu diễn càng nằm ngang thì Chỉ số Độ nhớt càng cao — tức là độ nhớt của dầu càng ít thay đổi khi nhiệt độ biến động.

Phạm vi hoạt động của Dầu Thủy lực

Dầu thủy lực gốc khoáng là chất bôi trơn tốt cho các hệ thống thủy lực, nhưng nó chỉ hoạt động hiệu quả trong một dải độ nhớt nhất định. Nếu độ nhớt của dầu quá thấp, màng dầu sẽ quá mỏng (giống như nước), dẫn đến các chi tiết bị mài mòn. Ngược lại, nếu độ nhớt quá cao, dầu sẽ không thể chảy nhanh đủ vào các ổ trượt, khiến các chi tiết bị thiếu dầu.

Các bộ phận quay — bơm thủy lực và động cơ thủy lực — đặc biệt cần bôi trơn ổ bi tốt. Các nhà sản xuất bơm quy định dải độ nhớt phù hợp cho sản phẩm của họ. Nếu những bộ phận này được bôi trơn đúng cách, thì tất cả các bộ phận khác trong hệ thống cũng sẽ được bôi trơn đầy đủ.

Khi đã biết dải độ nhớt yêu cầu, dải nhiệt độ vận hành của hệ thống sẽ xác định loại dầu thủy lực cụ thể cần chọn. Ví dụ, nếu hệ thống yêu cầu độ nhớt trong khoảng 70–250 SUS (15–54 cSt) và nhiệt độ vận hành nằm trong khoảng 80–140°F (26,7–60°C), hãy chọn Dầu Y. Nếu dải nhiệt độ là 110–170°F (43,3–76,7°C), hãy chọn Dầu Z.

Ngay cả trong môi trường công nghiệp, nhiệt độ cũng có thể giảm xuống rất thấp. Để đảm bảo bơm có thể hút dầu một cách bình thường khi khởi động, các nhà sản xuất bơm quy định độ nhớt tối đa cho phép khi khởi động: thường là 1.000 SUS (216 cSt) đối với bơm piston và 7.500 SUS (1.618 cSt) đối với bơm cánh gạt và bơm bánh răng.

Hình 3-11: Chọn độ nhớt dầu theo nhiệt độ vận hành. Dải được tô đậm biểu thị dải độ nhớt sử dụng được. Hãy chọn loại dầu có dải độ nhớt bao phủ toàn bộ dải nhiệt độ vận hành của bạn.

Nhiệt độ đông đặc

Biểu đồ độ nhớt ASTM không thể hiện nhiệt độ đông đặc. Ở nhiệt độ rất thấp, dầu khoáng hoàn toàn ngừng chảy — các tinh thể parafin sáp kết tủa ra khỏi dầu và cản trở dòng chảy. Nhiệt độ đông đặc là nhiệt độ thấp nhất tại đó dầu thủy lực vẫn còn khả năng chảy, được xác định trong điều kiện phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM.

Trong một hệ thống thực tế, nếu yêu cầu về độ nhớt tối đa khi khởi động đã được đáp ứng, thông thường không cần kiểm tra riêng nhiệt độ đông đặc. Tuy nhiên, nếu hệ thống có thể vận hành ở nhiệt độ cực thấp, nhiệt độ đông đặc của dầu phải thấp hơn ít nhất 20°F so với nhiệt độ vận hành thấp nhất dự kiến.

Dữ liệu về nhiệt độ đông đặc của bất kỳ loại dầu nào đều có thể tìm thấy trên bảng dữ liệu sản phẩm tương ứng.

Các vấn đề liên quan đến dầu và phụ gia

Khi một hệ thống thủy lực hoạt động liên tục ngày qua ngày, dầu khoáng chịu tác động của các điều kiện khắc nghiệt. Một số vấn đề có thể phát sinh, ảnh hưởng đến cả dầu và hệ thống: bôi trơn ở áp suất cao, oxy hóa dầu, nhiễm nước, hút không khí và nhiễm bẩn bởi các hạt rắn.

Bôi trơn ở áp suất cao

Dầu thủy lực khoáng chất lượng tốt không phải lúc nào cũng là chất bôi trơn hiệu quả ở áp suất cao. Khi áp suất tăng lên, lớp màng dầu giữa các bộ phận chuyển động dễ bị phá vỡ hơn, do đó tính bám dính (khả năng bôi trơn) trở nên đặc biệt quan trọng. Các chất phụ gia hóa học có thể cải thiện khả năng bôi trơn ở áp suất cao hoặc bôi trơn biên.

Chất phụ gia chống mài mòn (AW) và giảm mài mòn (WR)

Có ba loại chất phụ gia chống mài mòn:

5. Chất phụ gia tăng độ bôi trơn/bôi trơn (WR) — các phân tử đứng thẳng trên bề mặt kim loại như sợi thảm, tạo thành một màng hóa học. Khi màng dầu bị phá vỡ, màng hóa học này chịu tải. Tuy nhiên, màng này không bền lắm và dễ bị phá hủy dưới áp suất cao.
6. Chất phụ gia giảm mài mòn (WR) — liên kết hóa học với bề mặt kim loại, tạo thành một màng bảo vệ. Khi các bộ phận chuyển động tiếp xúc ngắn hạn với nhau, những chất phụ gia này sinh ra nhiệt nhẹ, đánh bóng và làm nhẵn các bề mặt tiếp xúc, từ đó giảm ma sát.
7. Chất phụ gia cực áp (EP) — ở áp suất tiếp xúc cao, nếu các bề mặt kim loại nóng lên đủ để hàn dính vào nhau, các chất phụ gia EP sẽ phản ứng với bề mặt kim loại nhằm ngăn chặn hiện tượng hàn dính. Chúng cung cấp giải pháp cho những trường hợp mà các chất phụ gia AW thông thường không hiệu quả.

Ba loại phụ gia này không thể cùng được sử dụng trong một loại dầu — chúng phục vụ các mục đích khác nhau. Phụ gia tạo độ trơn/giảm mài mòn (WR) dành cho các hệ thống áp suất thấp (dưới 1.000 psi / 68,97 bar). Phụ gia chống mài mòn cực áp (EP) chủ yếu dùng cho các hệ thống có áp suất trên 3.000 psi (207 bar) hoặc cho dầu bôi trơn bánh răng và máy công cụ. Phụ gia chống mài mòn (AW) phù hợp với dải áp suất trung bình (1.000–3.000 psi / 68,97–207 bar).

Kiểm tra bôi trơn ở áp suất cao

Để kiểm tra xem một loại dầu có chứa phụ gia chống mài mòn hay không, hãy xem tên sản phẩm hoặc tham khảo bảng dữ liệu kỹ thuật từ nhà cung cấp. Ví dụ: "Hamony 48 AW" (Công ty Gulf Oil) — ký hiệu "AW" chỉ đặc tính chống mài mòn; "Sunvis 816 WR" (Công ty Sun Oil) — ký hiệu "WR" chỉ đặc tính giảm mài mòn.

Nhiều nhà sản xuất dầu tinh luyện không ghi rõ hàm lượng phụ gia chống mài mòn trên tên sản phẩm; đối với từng loại dầu cụ thể, luôn cần tham khảo bảng dữ liệu kỹ thuật. Nếu hệ thống gặp vấn đề mài mòn quá mức và loại dầu đang sử dụng không chứa phụ gia chống mài mòn, việc chuyển sang dùng dầu có phụ gia AW có thể giúp cải thiện tình trạng — tuy nhiên, trước tiên cần xác nhận rằng mài mòn không phải do nhiễm bẩn dầu gây ra.

Oxi hóa dầu

Oxy hóa là phản ứng hóa học giữa một vật liệu với oxy — một quá trình phổ biến. Khi bạn cắn một quả táo và phần thịt bên trong chuyển sang màu nâu, đó chính là hiện tượng oxy hóa. Một tấm chắn bùn của ô tô bị trầy xước và tiếp xúc với không khí sẽ phản ứng với oxy và bị gỉ. Phần lớn các chất trên thế giới, bao gồm cả dầu, đều bị oxy hóa theo cách này.

Hiện tượng oxy hóa dầu trong hệ thống thủy lực chủ yếu xảy ra tại hai vị trí: bể chứa và đầu ra của bơm. Cả hai vị trí đều liên quan đến sự tiếp xúc giữa dầu và oxy, nhưng quá trình oxy hóa diễn ra khác nhau tại mỗi vị trí.

Oxy hóa trong bể chứa

Trong bể chứa, bề mặt tự do của dầu phản ứng với oxy trong không khí. Các sản phẩm tạo thành từ phản ứng này bao gồm các axit yếu và các chất có tính chất giống xà phòng. Các axit này ăn mòn bề mặt các chi tiết và gây ra các vết ố sẫm màu. Các chất dạng xà phòng bám lên bề mặt các chi tiết và làm tắc các lỗ nhỏ trong các cổng cảm biến áp suất cũng như các đường dẫn bôi trơn.

Nhiệt độ làm tăng tốc độ oxy hóa dầu. Cứ mỗi lần tăng nhiệt độ lên 18–20°F (10–11°C) so với nhiệt độ trung bình trong bể chứa (130°F / 54,4°C) thì tốc độ oxy hóa sẽ tăng gần gấp đôi. Các hạt sắt, đồng và các giọt nước lẫn trong dầu cũng làm tăng tốc quá trình oxy hóa.

Oxy hóa tại đầu ra của bơm

Vị trí thứ hai xảy ra hiện tượng oxy hóa dầu là tại đầu ra của bơm. Nếu đường ống hút bị rò rỉ không khí hoặc dòng dầu hồi khuấy động bể chứa khiến đầu vào của bơm hút phải các bọt khí, những bọt khí này sẽ di chuyển đến đầu ra của bơm có áp suất cao và đột ngột vỡ tung (sụp đổ dữ dội) dưới áp suất cao. Quá trình này sinh ra nhiệt độ cục bộ cực cao. Các tính toán cho thấy khi một bọt khí bị nén từ gần bằng không lên 3.000 psi (207 bar), nhiệt độ có thể đạt tới 2.100°F (1.149°C). Ở nhiệt độ này, dầu bắt lửa, tạo thành các cặn dạng nhựa và mùi khét đặc trưng.

Nếu các sản phẩm oxy hóa hình thành tại đầu ra của bơm, nhựa sẽ hòa tan vào dầu. Khi nhựa tiếp xúc với các bề mặt nóng (rôto bơm, van xả, v.v.), nó kết tủa ra khỏi dầu dưới dạng cặn vecni bám trên những bề mặt này, gây hiện tượng kẹt và bó cứng các bộ phận chuyển động.

Nhựa trong dầu còn kết hợp với bụi và các hạt tạp chất để tạo thành bùn, làm tắc nghẽn các lỗ nhỏ trên van và bộ lọc, đồng thời cản trở việc tản nhiệt qua thành bình chứa. Hiện tượng vỡ bọt khí tại đầu ra của bơm là một trong những nguyên nhân chính gây oxy hóa nhanh chóng dầu.

Hình 3-14: Hiện tượng vỡ bọt khí tại đầu ra của bơm. Khi bọt khí bị nén từ áp suất thấp lên cao, nhiệt độ cục bộ có thể vượt quá 2.000°F — đủ để đốt cháy dầu và hình thành các lớp cặn vecni.

Kiểm tra mức độ oxy hóa của dầu

So sánh một mẫu dầu lấy từ hệ thống (có thể đã bị oxy hóa) với một mẫu dầu mới lấy từ thùng chứa, ở cùng nhiệt độ. Dầu mới có cảm giác rõ rệt là dính khi chà giữa ngón cái và ngón trỏ, và bám lại trên ngón tay. Dầu đã bị oxy hóa có cảm giác như nước — chảy trượt ra ngoài như nước, độ dính và độ bám kém.

Dầu bị oxy hóa do sự xẹp bóng khí cũng có mùi hăng, cay nồng. Nếu mẫu dầu cho thấy dấu hiệu của quá trình oxy hóa, hãy gửi mẫu đến phòng thí nghiệm để phân tích. Nếu không thể tái chế được, cần xả sạch toàn bộ hệ thống và đổ đầy lại bằng dầu mới.

Nước trong dầu thủy lực

Bất kỳ loại dầu thủy lực nào cũng chứa một lượng nước nhất định. Ở hàm lượng nhỏ, nước phân thành những giọt li ti và được dầu vận chuyển theo dòng. Nước và dầu không hòa tan vào nhau (trừ các loại dầu hòa tan trong nước); ở hàm lượng lớn, nước sẽ lắng xuống đáy bể chứa.

Nếu dầu đã chứa axit và nhựa sinh ra từ quá trình oxy hóa, chúng sẽ làm tăng tốc độ giữ nước.

Kiểm tra sự nhiễm nước

So sánh mẫu nghi vấn với một mẫu dầu mới là kiểm tra cơ bản. Đổ dầu mới vào bình thủy tinh và đưa lên trước nguồn sáng — dầu sẽ trong suốt với vài bọt khí nhỏ. Nếu mẫu chứa 0,5% nước, nó sẽ trông đục hoặc mờ. Khi hàm lượng nước đạt 1%, mẫu sẽ có màu trắng đục như sữa.

Phương pháp khác: làm nóng mẫu đục/mờ — nếu sau một thời gian mẫu trở nên trong trở lại, khả năng cao là có nước hiện diện. Nếu dầu chứa lượng nước lớn, phần lớn nước cuối cùng sẽ lắng xuống; việc tách ly tâm có thể đẩy nhanh quá trình này nếu thời gian là yếu tố quan trọng.

Nếu dầu chỉ chứa một lượng nước rất nhỏ (< 0,5%) và yêu cầu của hệ thống không quá khắt khe, việc thay thế ngay lập tức có thể không cần thiết. Nước trong dầu làm tăng tốc độ oxy hóa và làm giảm khả năng bôi trơn; bản thân nước cuối cùng sẽ bay hơi, nhưng các sản phẩm oxy hóa do nước gây ra vẫn còn tồn tại và tiếp tục gây hại. Nếu chất lượng dầu ở mức giới hạn, hãy gửi mẫu đến phòng thí nghiệm.

Hình 3-16 Kiểm tra nước bằng mắt thường. Lượng nước trong dầu có thể ước tính dựa trên mức độ đục của mẫu khi quan sát dưới ánh sáng.

Ăn mòn và rỉ sét

Từ góc độ hệ thống thủy lực, ăn mòn là sự tấn công hóa học lên bề mặt các chi tiết do axit hình thành trong quá trình oxy hóa dầu. Gỉ sét là hiện tượng oxy hóa các bề mặt làm từ sắt do nước có trong dầu gây ra.

Ăn mòn hòa tan kim loại và cuốn trôi chúng đi — làm giảm kích thước và trọng lượng của các chi tiết chính xác. Gỉ sét lại bám thêm vật liệu lên bề mặt sắt — làm tăng kích thước và trọng lượng của chúng. Khi các chi tiết chính xác thay đổi kích thước, hiệu suất và khả năng vận hành của chúng sẽ bị ảnh hưởng. Cả ăn mòn lẫn gỉ sét đều không được chấp nhận trong một hệ thống thủy lực.

Chất ức chế gỉ sét và oxy hóa (R&O)

Ngay cả lượng nước rất nhỏ trong dầu cũng có thể gây ra gỉ sét trên các bề mặt chi tiết làm bằng sắt. Trong điều kiện tự nhiên, bản thân dầu không cung cấp đủ khả năng bảo vệ chống ăn mòn, và việc loại bỏ hoàn toàn nước ra khỏi hệ thống thủy lực là gần như không thể — vì vậy hầu hết các loại dầu thủy lực đều chứa chất ức chế gỉ sét, giúp tạo thành một lớp màng bảo vệ hóa học trên bề mặt kim loại.

Sự tương tác giữa không khí và dầu trong bình chứa cũng tạo ra các sản phẩm oxy hóa, về sau sẽ tấn công các bề mặt kim loại và làm tăng tốc quá trình oxy hóa dầu thêm nữa. Do đó, người ta cũng bổ sung các chất ức chế oxy hóa — những hóa chất này làm gián đoạn phản ứng dây chuyền oxy hóa.

Hiện tượng oxy hóa ở nhiệt độ cao do sự xẹp bọt tại đầu ra của bơm không thể ngăn chặn chỉ bằng các biện pháp hóa học; nó chỉ có thể được kiểm soát bằng cách loại bỏ hoàn toàn không khí khỏi dòng chảy đầu vào của bơm. Các phụ gia chống gỉ và chống oxy hóa (R&O) là gói phụ gia cơ bản trong hầu hết các loại dầu thủy lực công nghiệp. Dầu có chứa các phụ gia này đôi khi được gọi là "dầu R&O". Các loại dầu R&O trong suốt (trong suốt, không màu) cấp cao nhất là sản phẩm chất lượng cao nhất; các cấp độ thấp hơn của dầu tuabin vẫn có thể phù hợp với nhiều ứng dụng thủy lực và được ghi nhãn là "dầu R&O dưới tiêu chuẩn tuabin".

Bọt và hiện tượng cuốn khí

Dầu trở về bể chứa cần giải phóng toàn bộ không khí bị cuốn theo trong hệ thống. Ở một số hệ thống, rò rỉ không khí ở phía hút rất nghiêm trọng; khi dầu trở về bắn tung tóe vào bể chứa, hiện tượng tạo bọt xảy ra — điều này cuối cùng khiến không khí bị cuốn theo quay trở lại bơm, gây mất ổn định hệ thống, tăng tốc quá trình oxy hóa, phát sinh tiếng ồn và có thể dẫn đến tràn dầu ra ngoài bể chứa, tạo thành mối nguy hại đối với môi trường.

Giải pháp tối ưu là khắc phục các điểm rò rỉ và thiết kế lại mạch dầu trở về, ví dụ: sử dụng vách ngăn trong bể chứa, hoặc sử dụng đường ống trở về có đường kính lớn hơn nhằm giảm vận tốc dòng dầu khi vào bể chứa. Vì lý do kinh tế, thực tiễn hoặc đào tạo, có thể sử dụng phụ gia hóa học thay thế.

Phụ gia chống tạo bọt

Chất phụ gia chống tạo bọt ngăn ngừa hiện tượng dầu bị tạo bọt. Một số loại hoạt động bằng cách kết hợp các bọt nhỏ thành các bọt lớn hơn, những bọt này nổi lên bề mặt và vỡ ra. Một loại khác hoạt động bằng cách cản trở quá trình giải phóng không khí nhằm giảm bọt, nhưng lại làm tăng số lượng bọt li ti trong hệ thống. Khi lựa chọn chất phụ gia chống tạo bọt, hãy đảm bảo chọn loại cho phép không khí thoát ra — chứ không phải loại giữ lại thêm không khí.

Kiểm tra hiện tượng tạo bọt

Kiểm tra bọt trong dầu bằng cách lấy mẫu từ bể chứa. Kiểm tra trực quan sẽ giúp bạn nhanh chóng xác định liệu dầu có chứa không khí hay không. Mẫu nên được lấy ở vị trí gần đầu vào của bơm nhất có thể để đảm bảo mẫu đại diện chính xác cho dầu thực tế đang đi vào hệ thống.

Các dấu hiệu khác cho thấy có không khí trong hệ thống: tiếng ồn cao, không đều phát ra từ bơm; bơm có thể thỉnh thoảng phát ra tiếng gõ mạnh như thể có người bắn súng bên trong. Chuyển động xi-lanh không ổn định và chỉ số đồng hồ đo áp suất dao động cũng là những dấu hiệu cho thấy có không khí.

Hình 3-18 Không khí trong hệ thống thủy lực. Bọt trên bề mặt bình chứa (bên trái) hoặc tiếng ồn từ bơm (bên phải) đều cho thấy vấn đề hút không khí vào hệ thống.

Các chất gây nhiễm bẩn trong dầu thủy lực

Vấn đề lớn nhất đối với dầu thủy lực trong quá trình vận hành là sự nhiễm bẩn. Các chất gây nhiễm bẩn có thể là nước, không khí hoặc các hạt rắn — trong đó các hạt rắn là loại phổ biến nhất và gây hại nhiều nhất.

Các chất nhiễm bẩn dạng rắn có thể làm tắc các lỗ tiết lưu của van điều khiển, khiến các bộ phận chuyển động bị kẹt, gia tốc quá trình mài mòn và thúc đẩy phản ứng oxy hóa dầu.

Chất nhiễm bẩn là bất kỳ chất không tan nào trong dầu. Chất nhiễm bẩn xâm nhập vào hệ thống theo nhiều cách: trong quá trình sản xuất, lắp ráp, bảo quản và vận chuyển các thành phần hệ thống; từ môi trường bên ngoài thông qua các phớt thanh piston đã mòn hoặc nắp thông hơi của bình chứa bị hỏng; và từ chính hệ thống — các bộ phận bên trong bị mòn liên tục sinh ra các hạt kim loại. Quá trình nhiễm bẩn không bao giờ ngừng.

Không có chất phụ gia hóa học nào có thể loại bỏ các chất gây nhiễm bẩn khỏi dầu hoặc ngăn chúng xâm nhập vào. Mục tiêu của việc thiết kế và bảo trì hệ thống tốt là ngăn chặn sự xâm nhập của các chất gây nhiễm bẩn; đồng thời, việc loại bỏ các chất gây nhiễm bẩn ra khỏi dầu là trách nhiệm của bộ lọc và đội ngũ bảo trì.

Kiểm tra Sự Ô Nhiễm

Mắt thường không thể xác định mức độ nhiễm bẩn một cách đáng tin cậy. Việc quan sát dầu trong bình thủy tinh dưới ánh sáng không phải là phương pháp kiểm tra độ nhiễm bẩn chính xác — nhiều hạt gây hại cho hệ thống thủy lực quá nhỏ để có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Đánh giá độ nhiễm bẩn chính xác đòi hỏi phân tích trong phòng thí nghiệm.

Đèn báo tắc nghẽn của bộ lọc hệ thống cung cấp một phương pháp khác để kiểm tra độ nhiễm bẩn. Nếu bộ lọc được chọn đúng kích thước cho hệ thống và đèn báo hoạt động bình thường: trạng thái "sạch" cho biết dầu đủ sạch cho hệ thống; trạng thái "cần bảo dưỡng" cho biết bộ lọc cần được bảo dưỡng hoặc thay thế; nếu đèn báo hiển thị trạng thái "đi vòng", điều đó nghĩa là dầu rất bẩn và bộ lọc cần được bảo dưỡng ngay lập tức.

Hình 3-19: Đèn báo điều kiện lọc. "Sạch" (trên cùng): dầu ở trạng thái chấp nhận được. "Cần bảo dưỡng" (ở giữa): cần bảo dưỡng hoặc thay thế bộ lọc. "Điều hướng vòng qua" (dưới cùng): dầu rất bẩn — cần bảo dưỡng ngay lập tức.

Bảo dưỡng dầu thủy lực

Như đã nêu, dầu thủy lực đảm nhiệm nhiều chức năng trong hệ thống và chứa nhiều chất phụ gia nhằm hỗ trợ các chức năng đó. Dầu thủy lực cần được đặc biệt chú ý trong suốt quá trình lưu trữ, vận chuyển vào bể chứa và trong suốt quá trình vận hành hệ thống.

Bảo quản

Trong quá trình lưu trữ, yếu tố then chốt là giữ dầu ở điều kiện tốt nhất có thể. Việc nhiễm bẩn dầu trong các thùng chứa khi lưu kho không chỉ gây lãng phí — mà còn có thể cung cấp cho hệ thống loại dầu đã suy giảm chất lượng, làm ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống.

Các thùng chứa cần được lưu trữ tại nơi sạch sẽ và khô ráo. Các thùng chứa để ngoài trời cần được đặt nằm ngang để tránh nước đọng trên nắp và thấm vào bên trong qua gioăng nút bịt.

Chuyển dầu từ thùng chứa vào bể chứa

Trước khi bắt đầu bơm dầu, hãy làm sạch nắp phuy, sau đó chuẩn bị đầy đủ tất cả các dụng cụ và thiết bị cần thiết: ống dẫn mềm, máy bơm chuyển dầu, phễu, bộ lọc đổ đầy vào bình chứa và rửa sạch tay. Kiểm tra xem tên thương hiệu và độ nhớt ghi trên phuy có khớp với yêu cầu hay không. Không phải tất cả các loại dầu thủy lực đều chứa cùng một loại phụ gia, do đó, việc trộn lẫn dầu từ các nhà cung cấp khác nhau chỉ nên được thực hiện nếu có sự cho phép chính thức từ nhà cung cấp.

Sau khi dầu đã được đưa vào hệ thống, cần bảo trì và giám sát định kỳ theo các khoảng thời gian quy định. Công việc bảo trì dầu bao gồm: bổ sung dầu lên mức tối thiểu (sử dụng cùng loại dầu hoặc loại dầu tương thích với dầu đang sử dụng), xử lý rò rỉ và thay thế lõi lọc.

Việc thay thế bộ lọc định kỳ mang lại nhiều lợi ích rất lớn. Nhiễm bẩn cực kỳ có hại cho dầu vì nó thúc đẩy quá trình oxy hóa, đặc biệt khi các hạt nhiễm bẩn là sắt, chì hoặc đồng. Bộ lọc loại bỏ phần lớn các chất nhiễm bẩn khỏi dòng chảy, nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn các chất nhiễm bẩn ra khỏi hệ thống — chúng chỉ duy trì chất lượng dầu. Nếu đèn cảnh báo bộ lọc sáng lên nhưng không được bảo dưỡng kịp thời, một lượng lớn chất nhiễm bẩn chưa qua lọc sẽ đi vòng qua phần hạ lưu, gây ảnh hưởng đến các bộ phận; đồng thời, các chất nhiễm bẩn bị giữ lại trong bộ lọc bẩn vẫn tồn tại trong hệ thống và tiếp tục thúc đẩy quá trình oxy hóa.

Làm sạch các bộ lọc dạng lưới

Các bộ lọc dạng lưới có thể được làm sạch và tái sử dụng. Mức độ làm sạch kỹ lưỡng phụ thuộc vào mức độ cẩn thận trong quá trình làm sạch, chứ không phụ thuộc vào phương pháp làm sạch cụ thể.

Phương pháp thông thường: Ngâm trong dung môi sạch hoặc nước xà phòng nóng, sau đó thổi sạch bằng khí nén. Sử dụng bàn chải mềm (bàn chải sơn mới) sẽ giúp làm sạch lớp lưới hiệu quả hơn. Không bao giờ dùng bàn chải thép hoặc vật liệu mài mòn. Sau khi làm sạch, cầm bộ lọc lên trước nguồn sáng để kiểm tra — những vùng màu xám hoặc đen cho thấy bộ lọc cần được làm sạch thêm.

Làm sạch bằng sóng siêu âm tốn kém hơn nhưng thuận tiện hơn: đặt bộ lọc bẩn vào máy làm sạch siêu âm trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó lấy ra — bộ lọc đã sạch và sẵn sàng tái sử dụng. Các bộ lọc có độ lọc danh định từ 40 μm trở xuống cần được làm sạch bằng máy siêu âm để khôi phục hiệu quả tuổi thọ sử dụng.

Hình 3-20 Làm sạch bộ lọc dạng lưới. (Trái) Máy làm sạch siêu âm dành cho các bộ lọc có độ lọc cao. (Phải) Cầm bộ lọc đã làm sạch lên trước nguồn sáng để kiểm tra các vùng còn bị tắc.