Balan Ana Maria

Grupa 931 CA

Fluide hidraulice folosite in aviatie

Lichidele vehiculate în circuitele energetice şi de comandă ale transmisiilor hidraulice, numite curent “hidraulice”, “de lucru” sau “funcţionale” suferă ciclic variaţii importante de presiune, viteză şi temperatură, vin în contact cu diferite materiale şi pot fi expuse câmpului electromagnetic, radiaţiilor nucleare, etc. Condiţiile dificile de utilizare impun lichidelor funcţionale următoarele cerinţe: calităţi lubrifiante; viscozitate acceptabilă în orice condiţii de funcţionare ale sistemului; proprietăţi fizice şi chimice stabile; compatibilitate cu materialele sistemului; compresibilitate, volatilitate, tendinţă de spumare, densitate, coeficient de dilatare termică, preţ şi toxicitate reduse; calităţi antioxidante şi dielectrice; stocare şi manipulare simple.

În prezent există o gamă largă de lichide funcţionale, aparţinând din punct de vedere chimic mai multor clase, dar nici unul nu prezintă toate calităţile necesare unei transmisii date. Ca urmare, alegerea unui lichid constituie în general un compromis care asigură satisfacerea cerinţelor esenţiale, dar impune restricţii structurii sistemului şi condiţiilor de utilizare. Datele hotărâtoare în alegerea unui lichid sunt: gama temperaturilor de utilizare şi stocare, normale şi accidentale; gama de presiuni şi depresiuni la care este supus lichidul în regim normal şi accidental; cerinţele anumitor materiale sau elemente componente ale sistemului; cerinţele de siguranţă; condiţii economice. Dacă mai multe lichide satisfac comparabil aceste cerinţe, opţiunea finală este determinată de îndeplinirea celorlalte criterii.

Exista 4 tipuri de fluide hidraulice:

1. Fluide pe baza vegetala

2. Fluide pe baza minerala

3. Fluide neinflamabile pe baza de apa

4. Fluide sintetice

1. Lichide pe bază vegetală

Aceste lichide sunt compuse din ulei de ricin (care este un bun lubrifiant) diluat, în scopul măririi fluidităţii, într-un solvent cu punct de congelare scăzut şi cât mai puţin volatil. Un exemplu tipic este lichidul întrebuinţat în primele sisteme de frânare ale autovehiculelor, compus din ulei de ricin şi alcool (diacetonă) în părţi egale. Fiind compatibile cu cauciucurile naturale, care nu sunt afectate de temperaturile scăzute,

aceste lichide sunt încă folosite în domenii specifice, deşi sunt corozive, volatile (datorită solventului), inflamabile, instabile în timp şi în raport cu variaţiile de temperatură etc.

2. Lichide pe bază minerală

Datorită calităţilor lubrifiante, stabilităţii chimice şi costului relativ scăzut, aceste lichide sunt larg utilizate în sistemele hidraulice care lucrează în domeniul de

temperatură cuprins între -54 şi 1350C. În aeronautica civilă şi în transmisiile hidraulice industriale expuse pericolului de incendiu, lichidele pe bază minerală sunt înlocuite frecvent cu lichide sintetice neinflamabile (esteri fosfatici sau silicici).

Gama de uleiuri minerale este foarte largă, producătorii oferind lichide din fiecare grupă de viscozitate. Tabelul 2.1 conţine caracteristicile grupelor de viscozitate ale lichidelor funcţionale industriale.

Tabelul 2.1. Caracteristicile grupelor de viscozitate ale lichidelor funcţionale industriale

Instalaţiile hidraulice ale aeronavelor utilizează frecvent "lichidul hidraulic standard", care poate fi definit astfel (după norma AIR 3520/A -Franţa): ulei mineral cu

punct de curgere scăzut (< -600C), cu punct de inflamabilitate mai ridicat de 93oC, cu indice de aciditate scăzut (< 0,1 mg hidroxid de potasiu pe gram), aditivat cu cel mult 20% amelioratori ai indicelui de viscozitate (de exemplu polimer metacrilic), cu 0,4 …0,6% tricrezilfosfat (pentru îmbunătăţirea calităţilor lubrifiante), cu 2% antioxidant şi cu 100 p.p.m. colorant (roşu). Acest lichid se numeşte în Franţa AIR 3520/A şi are următoarele echivalente: MIL H 5606 în S.U.A.; AMG 10 în Rusia; DTD 585 în Anglia, H 10 în România etc.; este foarte stabil, netoxic, compatibil cu majoritatea elastomerilor sintetici, are un indice de viscozitate bun, dar este inflamabil.

Nr. grupei

Calificativul

Viscozitatea la

500C Grade Engler

Centistokes

1 Extrafluide 2 11 2 Foarte fluide 2-3 11-20 3 Fluide 3-4 20-29 4 Semifluide 4-5 29-37 5 Semiviscoase 5 37

3. Lichide neinflamabile pe bază de apă

Datorită unor neajunsuri majore (domeniu limitat de temperatură, viscozitate şi proprietăţi lubrifiante foarte reduse, corozivitate) apa este folosită îndeosebi pentru acţionarea unor utilaje "calde", mari consumatoare de lichid, cum sunt presele hidraulice, sau a utilajelor alimentare. Ameliorarea proprietăţilor apei se poate obţine prin amestecare cu ulei sau poliglicoli.

Emulsiile de ulei în apă conţin între 1 şi 10% ulei mineral, care îmbunătăţeşte proprietăţile lubrifiante ale apei şi îi limitează agresivitatea chimică. Aceste emulsii au un indice de viscozitate bun şi sunt compatibile cu elastomerii şi vopselele uzuale, fiind întrebuinţate pe maşini-unelte.

În emulsiile de apă în ulei, ponderea acesteia este mărită la 50…60%, asigurând un indice de viscozitate ridicat (circa 140) şi compatibilitatea cu elastomerii şi vopselele curente, dar proprietăţile lubrifiante rămân modeste; sunt folosite îndeosebi în instalaţiile hidraulice ale utilajelor miniere, la presiuni ridicate (uzual 400 bar).

Soluţiile de poliglicoli în apă conţin apă în proporţie de 35…65%; au calităţi lubrifiante bune şi un indice de viscozitate ridicat (circa 150), dar sunt incompatibile cu lichidele petroliere (formează precipitate chiar în prezenţa unor urme de ulei mineral), cu zincul, cadmiul şi vopselele curente (cu excepţia celei vinilice); sunt întrebuinţate îndeosebi în marină. Vaporii de apă joacă rolul de estinctor, dar prezenţa apei limitează

mult domeniul de temperatură; peste 600C apa se evaporă intens, lichidul pierzându-şi caracterul ignifug.

4. Lichide sintetice

Necesitatea măririi siguranţei sistemelor hidraulice şi a creşterii temperaturii lor maxime de funcţionare, corespunzător cerinţelor aeronauticii moderne a generat cercetări intense pentru crearea lichidelor funcţionale sintetice "neinflamabile" şi a celor "de înaltă temperatură". Dintre lichidele utilizate sau numai studiate se analizează cele mai cunoscute.

Esterii acizilor organici sunt lichide de înaltă temperatură dar nu sunt rezistente

la foc; au punctul de inflamabilitate cuprins între 160 şi 2000C, dar se comportă nesatisfăcător la temperaturi scăzute şi sunt incompatibile cu anumiţi elastomeri. Iniţial au fost utilizaţi ca lubrifianţi sintetici şi ca lichide funcţionale în sistemele de comandă ale motoarelor termice; în prezent ele sunt întrebuinţate pe unele avioane supersonice civile.

Compuşii organici halogenaţi (floruraţi sau cloruraţi) sunt neinflamabili, dar au un cost extrem de ridicat, densitate mare, indice de viscozitate redus şi suportă greu aditivii, astfel că în prezent sunt întrebuinţaţi rar.

Siliconii sunt lichide neinflamabile de înaltă temperatură (pot lucra până la

3150C); indicele lor de viscozitate este ridicat, dar au proprietăţi lubrifiante slabe, spumează intens, sunt insensibili la aditivi şi scumpi; în plus, au un modul de elasticitate redus şi o comportare specială în lagăre (sunt lichide nenewtoniene).

Esterii fosfatici au calităţi lubrifiante bune, indice de viscozitate foarte mare

(circa 240), punct de inflamabilitate ridicat (circa 2600C), dar au densitate relativă mare (circa 1,08), sunt sensibili la forfecare şi toxici. Instabilitatea elastomerilor

corespunzători (butilii, până la 70 - 800C şi etilenpropilenele, până la 1000C) limitează

temperatura lor de utilizare la circa 1000C. Aceste lichide pot fi considerate neinflamabile, dar nu şi lichide de înaltă temperatură; sunt larg întrebuinţate pe avioanele civile şi pe nave, precum şi în numeroase instalaţii hidraulice industriale expuse pericolului de incendiu (de exemplu cele miniere). Un exemplu tipic de ester fosfatic este lichidul SKYDROL 500 A, utilizat pe avioanele BOEING.

Silicaţii (ortosilicatesterii şi polixiloxanii) pot fi utilizaţi între –400C şi 1500C; marele lor defect îl constituie sensibilitatea faţă de apă şi aer, în prezenţa cărora produc precipitate şi cristale, mai ales la cald. Această sensibilitate impune precauţii severe în concepţia, umplerea şi întreţinerea sistemelor; sunt lichide de înaltă temperatură, dar nu sunt neinflamabile, deşi prezintă un bun nivel de securitate faţă de incendii. Din această categorie face parte lichidul ORONITE 8515 A utilizat în instalaţia hidraulică a avionului supersonic de pasageri CONCORDE.

Lichidele de temperatură foarte mare sunt necesare avioanelor şi rachetelor hipersonice, a căror încălzire dinamică este considerabilă. Sunt studiate în acest scop metalele lichide testate deja în circuitele primare ale reactoarelor nucleare, mercurul, sodiul, potasiul, aliaje de plumb şi bismut etc. Se încearcă de asemenea folosirea gazelor de combustie pentru dirijarea vehiculelor spaţiale, deşi temperatura lor este foarte ridicată şi conţin mari cantităţi de contaminanţi solizi (alumină).

Lichide funcţionale produse sau utilizate în ţara noastră

Tabelul 2.2 conţine caracteristicile unor lichide funcţionale produse în ţara noastră, conform standardelor în vigoare. Toate aceste lichide sunt elaborate pe bază de petrol.

În ţara noastră se întrebuinţează şi alte lichide funcţionale: AMG 10 (în instalaţiile hidraulice ale avioanelor militare), SKYDROL 500 A (pe avioanele BAC 1-11, ROMBAC şi BOEING 707) AIR 3520A pe elicopterele PUMA şi ALOUETTE etc.

Proprietatile fluidelor hidraulice

Apa, aerul şi particulele metalice favorizează oxidarea lichidelor, elastomerilor şi a metalelor transmisiilor hidrostatice.

Cantitatea de apă admisă curent în lichidele funcţionale nu depăşeşte 100 p.p.m. În instalaţiile prevăzute cu rezervoare deschise nu se poate evita contactul lichidelor cu aerul şi condensarea apei. Deşi complică structura şi întreţinerea sistemelor, rezervoarele etanşe, presurizate pneumatic sau mecanic, sunt întotdeauna utilizate dacă siguranţa funcţională constituie o cerinţă esenţială. Din acelaşi motiv azotul înlocuieşte aerul în majoritatea acumulatoarelor hidropneumatice care lucrează la presiuni mai mari de 63 bar. Aceste măsuri permit mărirea sensibilă a temperaturii maxime admise în instalaţii şi a duratei de viaţă a lichidelor, micşorând în acelaşi timp pericolul de incendiu. De exemplu, lichidele petroliere pot fi întrebuinţate în aviaţie până

la 135oC, faţă de 90oC în circuit deschis. Circuitele etanşe, umplute cu precauţii deosebite, sunt obligatorii în cazul

întrebuinţării lichidelor de înaltă temperatură pe bază de silicaţi, care în prezenţa apei şi a aerului formează precipitate şi cristale deosebit de periculoase pentru sistemele hidraulice. Proprietatea lichidelor de a-şi conserva calităţile fizice şi chimice în prezenţa apei se numeşte "stabilitate hidrolitică" şi determină în mare măsură durata de stocare şi de întrebuinţare.

Ameliorarea rezistenţei faţă de oxidanţi se obţine cu aditivi care au o mare afinitate pentru oxigen, dar nu influenţează proprietăţile lichidului nici în starea iniţială nici în starea oxigenată. După consumarea inhibatorilor de oxidare se produc acizi care afectează elementele sistemului.

Degajarea gazelor şi agitaţia excesivă a lichidelor în prezenţa aerului provoacă apariţia spumei. Aceasta măreşte compresibilitatea lichidelor, favorizează oxidarea lor şi coroziunea metalelor. Stabilitatea spumei depinde de viscozitatea lichidului, de tensiunea sa superficială şi de factorii poluanţi. Tendinţa de spumare se determină prin măsurarea volumului spumei generate de o cantitate constantă de aer. Transmisiile hidraulice în circuit închis nu sunt afectate de acest fenomen. Sistemele deschise necesită atât precauţii constructive (rezervoare mari cu deflectoare multiple), cât şi aditivarea lichidelor funcţionale cu antispumanţi.

În exploatare este greu să se evite contactul operatorilor cu lichidele funcţionale şi mai ales inhalarea vaporilor acestora. Este deci necesar ca lichidele să nu fie toxice nici înainte de întrebuinţare, nici după aceasta. Lichidele sintetice moderne, îndeosebi cele neinflamabile, sunt toxice în anumite concentraţii. Acţiunea lor asupra mucoaselor şi îndeosebi asupra ochilor impune utilizarea ecranelor protectoare la standurile de încercări ale elementelor hidraulice şi ventilarea corespunzătoare a laboratoarelor.

Presiunea vaporilor saturaţi ai lichidelor funcţionale trebuie să fie cât mai mică pentru a evita apariţia cavitaţiei, îndeosebi în cazul lichidelor care lucrează la temperaturi ridicate.

Căldura specifică şi coeficientul de conductibilitate termică trebuie să fie cât mai mari pentru a evita gradienţii mari de temperatură.

Este util ca lichidele funcţionale să aibă proprietăţi dielectrice, care permit folosirea electromotoarelor rotative, liniare şi unghiulare cu înfăşurări neizolate, simplificând construcţia convertoarelor electrohidraulice.

Culoarea şi mirosul facilitează identificarea lichidelor funcţionale. Costul este un criteriu important în alegerea lichidelor funcţionale, mai ales în cazul instalaţiilor industriale complexe. Lichidele sintetice sunt mai scumpe decât cele minerale. De exemplu, lichidele florurate sunt de o sută de ori mai scumpe decât cele petroliere.