Гидравлические среды или рабочие жидкости, которые служат для передачи усилия в закрытых гидравлических системах, по своим возможностям подразделяются на три основные группы.

 По своему химическому составу трудновоспламеняемые среды типа HF, в свою очередь, подразделяют на следующие подгруппы:

  • рабочие жидкости на водной основе: HFA (HFA-E и HFA-S), HFB, HFC;
  • не содержащие воду синтетические рабочие жидкости: HFD.

Подобная классификация встречается и в металлообработке при делении СОЖ на водосмешиваемые и неводосмешиваемые типы, с дальнейшей градацией на растворимые и эмульгируемые в воде СОЖ.

Главное свойство невоспламеняемости гидравлической среды определяется содержанием воды (до 95%), несмотря на наличие в составе концентратов различного химического состава (до 5%). Готовые жидкости при нагревании не дают легковоспламеняемых испарений и тем безопасны. 

Требования к средам типа HFA

В следствие большого количества шахтных пожаров и после катастрофы, произошедшей в бельгийском городке Марсинель в 1956 году, служба Горно-технического надзора начала разработку новых негорючих гидравлических жидкостей. Комитет по защите производственной безопасноти и охране здоровья на предприятиях угольной промышленности Европейского Сообщества установил для них  требования в так называемом Люксембургском отчете (1-е издание от 20.12.1960г.). Сегодня действует 7-ой Люксембургский отчет от 01.04.1995г., выполнение требований которого является необходимым условием для применения жидкостей типа HFA в подземных условиях.

Как говорилось ранее, основным компонентом рабочей жидкости в шахте является вода, а ее расход по условиям специфики горного производства может достигать большого значения, вплоть до 3500 куб.м/сутки. Вода используется местного природного происхождения, ее качество может сильно меняться во времени в силу естественных и сезонных факторов. В связи с этим, технологическую воду согласно 7-му Люксембургскому отчету по качеству подразделяют на четыре типа (см.табл.2)

  Качество применяемой технологической воды влияет на основные характеристики рабочей жидкости, такие как: защита от коррозии, стабильность смеси, микробиологическое поражение, образование мыльных  соединений с цинком и т.д. Поэтому в производстве, когда могут возникнуть экстремальные условия, необходим постоянный контроль качества исходной воды.

Современное оборудование для механизированной добычи угля имеет электрогидравлическое управление, которое  преъявляет особые требования к чистоте и фильтруемости жидкости. требования повышаются, когда имеется большая протяженность системы трубопроводов для подачи рабочей жидкости от насосной станции до очистного забоя, а т.к. трубы применяются оцинкованные, то требуется и хорошая совместимость гтдравлической жидкости с цинком. В пояснение этой проблемы существует заключение научно-исследовательского центра «Рураналитик» АО «Немецкий каменный уголь» от 2001 года: «При исследовании эмульсии типа HFA-E (эмульсия на примере Fimitol P 87 AF) не было замечено каких-либо негативных изменений, в то время как тесты с жидкостью типа HFA-S (раствор на примере GS-460NH) повлекли за собой целый  ряд явных изменений, приведших к относительно быстрому образованию цинкового мыла в гидравлической жидкости».

Общее строение и состав сред типа HFA

Водные гидравлические жидкости типа HFA подразделяются на HFA-S (Solition-Раствор) и HFA-E (Emulsion — Эмульсия). Их общий состав представляет собой:

  • концентраты типа HFA-S (растворы) состоят до 70% из воды, до 20% — из гликоля и остальное — присадки для защиты от коррозии черных и цветных металлов, смазывающие присадки, полярные смазывающие материалы, соединения борной кислоты, бактерициды, фунгициды, смачивающие средства и антивспениватели;
  • концентраты типа HFA-E могут состоять на 40% из воды или на 80% из базового масла (минеральное, белое, рапсовое, синтетическое масло, полиальфаолефин), а также содержат в себе комплекс эмульгаторов. 

В странах за пределами ФРГ или ЕС национальные законодательные нормы, (а зачастую и их отсутствие) определяют разное отношение к химическим материалам, которые уже запрещены к применению в ЕС. Вот только некоторые примеры:

  •  в США и Австралии применяются концентраты HFA-S, которые содержат в себе в качестве антикоррозионного компонента нитрит натрия. Этот материал при хорошей защите от коррозии еще и низкую цену, но очень негативно влияет на здоровье рабочего персонала;
  • в США, Австралии, России и др.странах до сих пор применяются вторичные амины в качестве основных компонентов для создания антикоррозионной защиты и системы эмульгаторов. Согласно предписанию № TRGS 611 применение вторичных аминов в водосмешиваемых СОЖ запрещено из-за опасности образования канцерогенных нитрозаминов…

Корректными считаются обозначения «раствор HFA» и «эмульсия HFA». На практике же для необоснованной аргументации продаж были введены в обиход и прижились такие понятия, как «синтетичесикй», «полусинтетический» и «классический» концентраты. Так как все современные концентраты типа HFA содержат в своем составе высокоэффективные присадки, полученные путем химического синтеза, то торговые термины «синтетический» и «полусинтетический» приводят к неверной интерпретиции. Такая трактовка в терминологии неверна и несопоставима с композициями смазочных материалов, например, моторных масел, где получила широкое распространение. Эти композиции лучше всего различать сравнением: смазочные концентраты «с низким содержанием минерального масла», «с высоким содержанием масла» и «не содержащие минерального масла». Так в концентратах «с низким содержанием минерального масла» может содержаться около 40% минерального масла и около 40% воды, а присадки займут 20%, а торговый представитель с легкой руки назвал бы его «синтетическим» или  «полусинтетическим»!.. 

В подземных условиях технологические преимущества имеют классические концентраты типа HFA-E с высоким содержанием минерального масла по следующему ряду причин:

  • надежная защита гидравлической системы даже в случае критического уменьшения концентрации по сравнению с заданным значением;
  • преимущество «эффекта памяти» («Memory-Effect») на рабочих поверхностях уплотнений;
  • стабильная антикоррозионная защита пленка на металлических поверхностях;
  • превосходная защита от коррозии даже при низком показателе pH.

 В наземных условиях технологические преимущества имеют концентраты типа HFA-S, не содержащие минерального масла, по следующему ряду причин:

  • лучшая стабильность растворов при низкой вероятности размножения бактерий во время вынужденных простоев оборудования;
  • лучший показатель фильтрации в случае применения фильтрующих систем высокой очистки.

Оценка качества гидравличеких сред типа HFA

Значение pH рабочей жидкости

Водные среды типа HFA должны удовлетворять высоким требованиям по защите от коррозии, что может быть достигнуто несколькими способами:

  • увеличением показателя pH;
  • применением соединений нитритов;
  • применением вторичных аминов;
  • применением подходящих антикоррозионных присадок с учетом эколгических критериев и требований производственной медицины.

Как уже было сказано, применение нитритов и аминов запрещено по соображениям безопасности, поэтому мы их не рассматриваем. Остается самый простой и дешевый способ — это создание искуственно высокого показателя pH. Чем выше показатель pH рабочей жидкости, тем лучше защита от коррозии. 7-ой Люксембургский отчет нормирует это значение в пределах от 6,7 до 11. Например, известны концентраты, которые в свежеприготовленной рабочей жидкости имеют значение показателя pH более 10. Зищитившись от коррозии таким дешевым способом, можно поллучить следующие проблемы:

  • существует реальная опасность серьезных повреждений кожи рук рабочих, которые контактируют с гидравлической жидкостью;
  • агрессивное воздействие жидкости на уплотнительные материалы. Следствием этого является преждевременный выход из строя уплотнительных колец в стойках цилиндров и в элементах гидроуправления, их малый ресурс; на всех оцинкованных материалах проявляется химическая ревкция цинка со щелочью. Это отмечает в своих исследованиях фирма Рураналитик/DSK, доказывая худшую совместимость так называемых «синтетических сред» с цинком по сравнению с «классическими эмульсиями», обладающими низким показателем pH.

Определение концентрации (фактор рефрактометра)

Соблюдение необходимой концентрации во время технологического процесса обусловлено требованиями как технического характера, экономическими затратами, так и требованиями пожаробезопасности (концентрации более 5% разрешают только в исключительных случаях). Сегодня оптимальной считается величина 1-3%. Для ее определения чаще всего используется оптический способ применеием ручного рефрактометра.

Проблема удельной плотности концентрата HFA

Замешивание рабочей жидкости типа HFA осуществляется посредством добавления концентрата в воду. Этот процесс может происходить непосредственно под землей либо в надземных условиях. При этом определенный объем концентрата подмешивается к определенному объему воды, т.е. смешивание рассчитывается в литрах. Однако следует учитывать законы термодинамики, по которым следует также учитывать плотность применяемого концентрата: так для приготовления 1 кубометра рабочей жидкости HFA с требуемой концентрацией в 2% требуется 980 литров воды и 20 литров концентрата. Плотность концентрата типа HFA-S при температуре 20 градусов составляет 1,01 г/мл, а концентратов типа HFA-E — 0,91 г/мл. Тогда получается, что для приготовления одного кубометра рабочей жидкости требуется 20,2 кг концентрата типа HFA-S либо 18,2 кг типа HFA-E. Другими словами, из ста тонн концентрата можно приготовить 4 951 кубометр раствора HFA-S либо 5 495 кубометров эмульсии HFA-E. То есть разница в плотности позволяет приготовить на 10% больше рабочей жидкости в виде эмульсии по сравнению с раствором!

Фактор низких температур для концентратов типа HFA

В дополнительных исследованиях концентратов типа HFA определяется температура их застывания. Этот показатель особенно важен для таких регионов, как Сибирь, Заполярье, Север Китая, где в зимнее время при транспортировке и хранении возникает проблема дополнительных затрат на проведение мероприятий, таких как использование теплых складов и утепленных фургонов. Концентраты типа HFA-S с высоким содержанием воды имеют близкую к нулю температуру застывания, в то время как у концентратов типа HFA-E с высоким содержанием минералного масла этот порог значительно ниже и соответствует температуре базового масла. (см.табл.4)

  Водная составляющая концентратов при застывании может привести к потере определенных свойств концентрата, т.е. к его последующей непригодности. В северных районах этот параметр может стать решающим при выборе типа рабочей жидкости!

Проблема стабильности сред типа HFA в «трудной» технологической воде

 Требования 7-го Люксембургского отчета уделяют особое внимание свойству стабильности рабочей жидкости во время всего технологического процесса, а особенно в критических ситуациях. Критическими считаются следующие показатели:

  • высокая общая проводимость > 1500 Sm/см;
  • содержание хлоридов > 200 ppm;
  • содержание микроорганизмов > 100000 шт/мл;
  • низкое значение pH < 6,5;
  • высокая карбонатная жесткость > 20 немецкой жесткости;

 Система типа HFA-S (водные растворы) имеют в этом случае явное преимущество, т.к. не содержат эмульгаторов, которые могут реагировать на  некоторые изменения состава воды.

Среды типа HFA-E (эмульсии) должны, в свою очередь, доказать работоспособность, т.е. выдержать специальные тесты в жесткой воде Z-типа. … Зачастую же высококачественные эмульсии HFA-E показывают очень хорошую стабильность и в сравнительно «трудных» технологических водах.

Эффект памяти (Memory-Effekt) сред типа HFA

 В ходе исследования причин выхода из строя гидравлических стоек в Германиинезависимой фирмой DMT были проведены научные исследования, которые установили одну интересную закономерность — в последующем ее назовут «Memory-Effekt» или «эффектом памяти». Была построена специальная дорогостоящая установка, в которой для исследований износостойкости рабочей пары «цилиндр-поршень» брались рабочие цилиндры мехагической крепи (бывшие в употреблении) и рабочие жидкости, изгтовленные на основе концентратов HFA-S (растворы) и HFA-E (эмульсии). Цилиндры подвергались циклическим нагрузкам, аналогичным в реальных условиях до момента их полного выхода из строя 9падения рабочего давления в системе).

 Результат длительных и дорогостоящих испытаний показал, что гидравлический концентрат типа HFA-E (эмульсия из концентрата FIMITOL P 87 AF) позволил выдержать 1640 нагрузочных циклов (!) предварительно поврежденной коррозией стойки мехкрепи до момента полного ее выхода из строя. Достигнутый результат является особенно показательным на фоне участвующих в экспериментах концентратов типа HFA-S (растворы), где они показали значительно худшие результаты.

Суть эффекта в том, что эмульсии типа HFA-E с высоким содержанием минерального масла проявляют характерную тенденцию к образованию защитной пленки, способствующей появлению аварийной антизадирной способности и улучшению антикоррозионных свойств рабочей жидкости. Замеченная тенденция дает понять, что существует прямая зависимость между содержанием минерального масла в испытуемой жидкости и показателем  количества нагрузочных циклов.

Пленка из минерального масла, находящаяся в динамическом равновесии сорбции и десорбции, обладает превосходной совместимостью с уплотнителями, интизадирными присадками,и, даже если стойки были корродированы и имеют абразивные поверхности, предотвращает быстрое механическое разрушение уплотнений. Этот «эффект памяти» становится наиболее ценным, когда по определенным причинам может возникнуть недостаточная концентрация эмульсии и потребуется избежать аварийной ситуации.

Среды типа HFA-S (растворы) не обладают таким эффектом, так как по своему строению состоят из полностью растворимых в воде веществ. Свойство растворимости этих веществ в воде действует постоянно, поэтому вследствие десорбции они очень быстро смываются с поверхности металла. В этом случае эффект растворимости, который предлагается в качестве решения проблемы стабильности в «трудной» воде, оборачивается негативной стороной и предотвращает возникновение «эффекта памяти». 

Оценка сред типа HFA по их применению на практике

 В таблице 5 мы приводим основные характеристики концентратов типа HFA (так называемые «синтетический раствор», «полусинтетическая» и «классическая» эмульсии), что позволяет провести их наглядное сравнение.

Каждый из типов выделенных продуктов имеет свои отличительные особенности, преимущества и недостатки, но основные области их применения формируются и утверждаются в условиях конкуренции благодаря большому практическому опыту специалистов.

Так, концентраты типа HFA-S (растворы) в шахтных условиях Германии применяются очень редко. Они чаще применяются в гидравлическом промышленном оборудовании в наземных условиях. Их основное преимущество по сравнению с гидравлическими маслами это стойкость к воспламенению. По сравнению с эмульсиями их использование предпочтительнее в системах сравнительно меньшего объема, лучшей герметичности и хорошей доступности по сравнению с труднодоступным оборудованием под землей. «Carl Bechem GMBH» рекомендует для применения в таких условиях ряд продуктов Starlit EM.

Концентраты типа HFA-E (эмульсии), в свою очередь, рациональней использовать в подземных условиях в больших гидравлических системах. Эти продукты хорошо себя зарекомендовали в условиях с высокой вероятностью утечек, обеспечивая надежность металлическим и уплотнительным элементам гидравлической системы своей стойкостью против коррозии в условиях агрессивной среды и повышенной запыленностью. Особо следует отметить здесь и хорошие условия производственной гигиены за счет более низкого показателя pH, исключая возможность вредного воздействия на организм человека. «Carl Bechem GMBH» рекомендует для этих целей свой основной и хорошо зарекомендовавший себя во многих странах мира продукт — Fimitol P 87 AF.

Мы не забываем также, что относительно меньшая микробиологическая стабильность и фильтруемость с ограниченным ресурсом простаиваемости отовой эмульсии может привести в случае недостаточного ухода к возникновению некоторых проблем. Для их своевременной профилактики и предотвращения мы разработали и предлагаем комплексную программу «Bechem Mining Services», особенности которой мы постараемся описать в следующих публикациях или вы их сможете узнать у специалистов фирмы «Carl Bechem GMBH».