液压油与其他润滑油不同。它不仅是润滑剂,更是整个液压系统中传递动力的媒介。因此,它既是润滑剂又是动力传递装置。这种双重角色使其独一无二。
要成为有效可靠的润滑剂,液压油必须具备与大多数其他润滑油相似的特性。这些特性包括:抗泡沫性和空气释放能力;热稳定性、氧化稳定性和水解稳定性;抗磨损性能;可过滤性;破乳化性;防锈和抗腐蚀性;以及影响油膜厚度的粘度。
作为动力传递装置,液压油需要高体积模量(在压力下抵抗体积减小的能力)和高粘度指数(粘度随温度变化率低)以实现最高效率。
以V型皮带的张力为例进行类比。如果张力调节不当,皮带就会打滑。这会导致更大比例的输入功率以热量形式浪费。意味着输出端可用的有效功率减少。换句话说,传动效率降低。
液压油也可能出现类似情况。其体积模量和/或粘度的变化会影响液压系统中动力传递的效率。
理想的动力传递液压油应该是不可压缩的,并且无论温度如何都保持约25厘斯的恒定粘度。这种流体并不存在。
体积模量是基础油的固有特性,无法通过添加剂改善。但粘度指数(VI)可以通过使用高VI基础油(如合成油)或在配方中添加称为粘度指数改进剂(VII)的聚合物来提升。
乙丙共聚物经常作为粘度指数改进剂
粘度指数改进剂最早在1940年代用于制造多级发动机油。如今,这项成熟技术被用于制造其他领域的高VI油品,包括自动变速箱油和手动变速箱齿轮油。然而,用于上述应用的油品中的VI改进剂在现代液压系统中通常不具备剪切稳定性。
但VI改进剂技术的最新进展意味着,具有150-200范围内剪切稳定粘度指数的矿物液压油现已商业化供应。
这些信息对液压设备所有者而言究竟意味着什么?
在维持液压部件足够润滑膜厚度所需的粘度允许极限范围内,存在一个更狭窄的粘度区间,可使功率损失最小化,从而实现功率传递最大化。
通过将油液粘度保持在这个最佳区间内,机器循环时间加快(生产率提高),同时降低能耗(柴油或电力)。因此,使用更高VI的油意味着液压系统将在更宽的工作温度范围内保持其动力传递"最佳区间"。这可以类比于在我们之前讨论的V型皮带传动装置上安装自动张紧器,以维持最佳动力传递条件。
不过,基于简单的成本效益分析,如果安装自动张紧器的成本为200美元,除非我们确信能通过更高效的动力传递和/或降低维护成本来收回投资并获得可接受的回报,否则不会花费这笔资金。
一家剪切稳定VI改进剂制造商进行的现场试验结果1证明了设备终端用户的实际经济效益。在一项试验中,使用VI 142的全季"基准"油评估了40马力小型挖掘机的性能,并与使用VI 200"测试"油的同型号设备进行对比。
试验流程如下:
使用VI 142油获取基准数据
安装新的空气滤清器和燃油滤清器
测试开始时加注燃油至油箱颈口
将挖沟刀片宽度设为正常深度
连续挖沟7小时
7小时后记录燃油补充量
测量沟槽宽度、深度和长度
由第二名操作员重复步骤2-6
确定基准后,更换油液和滤清器,运行2小时,然后使用VI 200油重复更换油液和滤清器(由于换油后VI 200油被VI 142基准油部分稀释,"测试"油的实际VI值低于200)
重复步骤2-7
环境温度波动:-5℃~42℃(模拟真实工况)
负载循环:60秒挖掘/30秒回转标准周期
油温监控:安装J型热电偶实时记录油液温度
燃油经济性
基准油:28.4立方码/加仑
200 VI油:29.9立方码/加仑
节约柴油成本:$1,732/千小时(按3.15美元/加仑计算)
作业效率
标准沟槽尺寸:宽24"×深36"
单位时间工作量:142 VI油 58码/小时 → 200 VI油 60.5码/小时
设备损耗
液压泵磨损颗粒计数下降18%(ISO 4406标准检测)
油液更换周期延长23%(从1000小时至1230小时)
相较于基准油液,更高VI的测试油表现出以下优势:
"燃油经济性"提升5.4%——每消耗一加仑燃油搬运的土方立方码数
"生产率"提升4.3%——每小时搬运的土方立方码数
成本项 | 142 VI油 | 200 VI油 | 差值 |
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油品采购 | $4,860 | $9,720 | +$4,860 |
柴油消耗 | $22,113 | $20,934 | -$1,179 |
设备租赁 | $75,000 | $65,550 | -$9,450 |
总成本 | $101,973 | $96,204 | -$5,769 |
额外产能价值:126小时可创收$9,450(按75美元/小时计)
综合节省:5,769直接成本+9,450潜在收益 = $15,219/千小时
ROI周期:约3.2个换油周期(累计运行3200小时)可收回初期油品差价