POLITECNICO DI TORINO FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica DIPARTIMENTO DI ENERGETICA LABORATORIO DIDATTICO PER L AUTOMAZIONE E LA ROBOTICA IN CAMPO MECCANICO TESI DI LAUREA FLUIDI IDRAULICI BIODEGRADABILI E LORO IMPIEGO SU MACCHINE MOVIMENTO TERRA Relatori: Prof. Nicola Nervegna Prof. Salvatore Mancò Ing. Luca Gilardino Candidato Orazio Scuderi Marzo 2000
Questo lavoro è stato svolto in collaborazione con Fiat-Hitachi Excavator S.p.a. Grazie all intervento diretto della casa costruttrice, è stato possibile reperire tutte le informazioni necessarie per lo studio dei fluidi idraulici biodegradabili e conoscere, inoltre, le esperienze sul problema di altre aziende come Rexroth (azienda leader nella costruzione di macchine oleodinamiche e componentistica) e Panolin (azienda produttrice di fluidi idraulici). Si ringraziano l ing. Gianni Duri, responsabile della progettazione degli escavatori, per la fiducia data e l ing. Fabrizio Viviano per aver seguito personalmente lo sviluppo della tesi. Autore della tesi: Ing. Orazio Scuderi Officina Fratelli Scuderi s.n.c. Autorizzata Fiat Hitachi Linde Hydraulic s.s. 192 Fondo Cardinale, 10 CATANIA E-mail: offscude@dimtel.nti.it orazioscuderi@wappi.com Riferimento FIAT HITACHI Ing. Fabrizio Viviano FIAT HITACHI EXCAVATOR S.p.A. Strada di Settimo, 323 San Mauro Torinese (TO) E-mail: fabrizio.viviano@cnh.com
Sommario S OMMARIO SOMMARIO... 2 INDICE DELLE FIGURE... 6 INDICE DELLE TABELLE... 8 INTRODUZIONE...10 CAPITOLO 1: FLUIDI IDRAULICI.... 11 1. Introduzione... 11 2. Proprietà fisiche dei fluidi idraulici... 11 2.1 Densità... 11 2.1.1 Riflessioni sulla densità... 12 2.2 Comprimibilità... 14 2.2.1 Riflessioni sulla comprimibilità... 15 2.3 Dilatabilità termica cubica isobara... 16 2.4 Viscosità... 17 2.4.1 L indice di viscosità... 19 2.4.2 Riflessioni sulla viscosità... 20 2.4.3 Classificazione ISO-VG... 21 2.5 Volatilità... 21 2.6 Punto di scorrimento... 22 2.7 Combinazione gassosa... 22 2.7.1 Aria disciolta... 22 2.7.2 Aria separata... 23 2.7.3 Schiuma... 23 3. Proprietà termiche dei fluidi idraulici... 23 3.1 Capacità termica massica... 23 3.2 Infiammabilità... 24 4. Proprietà chimiche dei fluidi idraulici... 24 4.1 La stabilità...24 5. Proprietà lubrificanti dei fluidi idraulici... 25 5.1 La lubrificazione... 25 5.1.1 Lubrificazione untuosa... 25 5.1.2 Lubrificazione idrodinamica... 26 5.1.3 Lubrificazione mista... 27 5.2 Usura meccanica... 27 5.2.1 Prova di usura con pompa a palette... 28 5.2.2 Il test FZG... 29 6. Contaminazione e filtrazione... 29 - pag. 2 -
Sommario 6.1 La contaminazione... 29 6.2 La filtrazione... 30 7. Classificazione dei fluidi idraulici... 31 CAPITOLO 2: LA BIODEGRADABILITÀ NEI FLUIDI IDRAULICI... 32 1. Introduzione... 32 2. L ecotossicità... 32 2.1 La tossicità...32 2.2 La biodegradabilità... 33 2.2.1 OECD Test. Metodo EPA560/6-82-003... 33 2.2.2 CEC Test. Metodo CEC-L-33-T-82... 33 2.2.3 Confronto tra i due metodi per la determinazione della biodegradabilità... 34 2.3 Il bioaccumulo... 34 3. La legislazione... 35 3.1 La normativa olandese VAMIL... 36 3.2 Le normative VDMA... 36 4. Caratteristiche dei fluidi biodegradabili... 37 4.1 Ecotossicità dei fluidi idraulici biodegradabili... 38 4.2 Requisiti tecnici dei fluidi idraulici biodegradabili... 39 4.2.1 Comportamento alle basse temperature... 39 4.2.2 Stabilità all ossidazione... 40 4.2.3 Stabilità all idrolisi... 41 4.2.4 Proprietà lubrificanti e antiusura... 42 4.2.5 Compatibilità con i metalli... 43 4.2.6 Compatibilità elastomerica... 43 4.2.7 Compatibilità con fluidi a base minerale... 44 4.2.8 Filtrazione... 45 4.2.9 Comportamento su impianti esistenti... 45 CAPITOLO 3: APPLICAZIONE DEI BIO-FLUIDI SU MACCHINE MOVIMENTO TERRA TIPO ESCAVATORI FIAT-HITACHI... 46 1. Introduzione... 46 2. Applicazione dei fluidi biodegradabili sugli escavatori... 46 3. Escavatore FHE (Fiat-Hitachi Escavator)... 46 3.1 L impianto oleodinamico... 49 3.2 Esigenze tecniche dell impianto... 58 4. Scelta della base del fluido... 61 CAPITOLO 4: VERIFICA DEL FLUIDO BIODEGRADABILE PANOLIN HLP SYNTH 46 UTILIZZATO SUGLI ESCAVATORI FIAT-HITACHI... 63 1. Introduzione... 63 2. Punto di scorrimento e proprietà antiusura... 63 3. Classe di contaminazione e resistenza all invecchiamento... 64 4. Verifica dei freni meccanici negativi... 66 - pag. 3 -
Sommario 5. Determinazione sperimentale della caratteristica Viscosità Temperatura dei due fluidi 66 5.1 Descrizione della prova... 66 5.1 Caratteristica Panolin HLP Synth 46... 67 5.2 Caratteristica Fiat Lubrificanti HITECH 46... 68 5.3 Il modello di Ubbelhode-Walter... 69 5.4 Determinazione del campo di temperatura di utilizzo... 71 6. Determinazione sperimentale della caratteristica Densità Temperatura dei due fluidi... 74 6.1 Caratteristica Panolin HLP Synth 46... 75 6.2 Caratteristica Fiat lubrificanti HITECH 46... 76 6.3 Verifica delle perdite di carico.... 77 7. Verifica della temperatura di equilibrio... 77 CAPITOLO 5: ANALISI DELLA TEMPERATURA DI EQUILIBRIO RAGGIUNTA DALL IMPIANTO OLEODINAMICO DELL ESCAVATORE.... 78 1. Introduzione... 78 2. Studio del sistema... 78 3. Prove sperimentali...80 4. Influenza delle proprietà del fluido sull equilibrio termico dell escavatore... 84 4.1 Capacità termica totale... 85 4.2 Termine di scambio termico totale... 85 4.3 Potenza dissipata nell impianto... 86 4.4 Sensibilità dell equilibrio termico del sistema alla sostituzione del fluido di lavoro.. 90 5. Previsioni sul fluido biodegradabile Panolin HLP Synth 46... 92 CAPITOLO 6: CONCLUSIONI... 95 1. Introduzione... 95 2. Il fluido Panolin HLP Synth 46... 95 3. Prospettive future... 96 APPENDICE A: INFORMAZIONI SUGLI ESTERI FORNITE DA PANOLIN DURANTE LA VISITA ALLO STABILIMENTO DI MADETSWIL (CH)... 97 1. Fenomeno dell idrolisi... 97 2. Classificazione degli esteri sintetici... 97 3. Durata del fluido Panolin HLP Synth 46... 97 4. Compatibilità con i fluidi a base minerale... 98 5. Confronto tra i trigliceridi e gli esteri... 98 APPENDICE B: CALCOLO DELLA POTENZA DISSIPATA DAL SISTEMA E DELLA POTENZA REFRIGERANTE DELLO SCAMBIATORE SULL ESCAVATORE EX 455. 99 1. Calcolo della potenza dissipata... 99 2. Calcolo della potenza refrigerante dello scambiatore... 100 - pag. 4 -
Sommario BIBLIOGRAFIA... 101 1. Articoli... 101 2. Testi... 102 3. Normative... 103 4. Service Bulletin... 103 - pag. 5 -
Indice delle Figure I NDICE DELLE F IGURE CAPITOLO 1:FLUIDI IDRAULICI. Fig. 1:(deformaz.eps) Schema di deformazione... 17 Fig. 2:(ni_t.eps) Caratteristica viscosità-temperatura... 18 Fig. 3:(ni_p.eps) Caratteristica viscosità-pressione... 19 Fig. 4:(ni_t_vie.eps) Variazioni dell indice di viscosità... 20 Fig. 5:(ni_t_vg.eps) Classificazione VG... 21 Fig. 6:(tens_vap.eps) Variazione della tensione di vapore con la temperatura... 22 Fig. 7:(lubrif.eps) Equilibrio dell elemento fluido... 26 Fig. 8:(usura.eps) Schema banco di prova... 28 CAPITOLO 2:LA BIODEGRADABILITÀ NEI FLUIDI IDRAULICI. Fig. 1:(base_bn.gif) Esempio di curva di correlazione tra i metodi OECD e CEC... 34 Fig. 2:(classif.eps) Classificazione dei fluidi biodegradabili... 37 Fig. 3:(panolin1.eps)Variazione della viscosità... 40 Fig. 4:(panolin2.eps)Variazione della viscosità... 41 Fig. 5:Reazione di idrolisi degli esteri... 42 CAPITOLO 3:APPLICAZIONE DEI BIO-FLUIDI SU MACCHINE MOVIMENTO TERRA TIPO ESCAVATORI FIAT-HITACHI. Fig. 1:(esc455a.tif)(esc455c.tif) Escavatore Fiat-Hitachi EX455... 47 Fig. 2:(dist455b.tif) Distributore oleodinamico... 48 Fig. 3:(blocchi.eps) Schema a blocchi dell impianto idraulico dell escavatore... 52 Fig. 4:(servo.eps) Pompa servocomando... 52 Fig. 5:(pompa.eps) Schema simbologico del sistema di variazione della cilindrata.... 53 Fig. 6:(carpomp.eps) Curva portata-pressione della pompa principale... 54 Fig. 7:(distrib.eps) Schema simbologico semplificato del distributore... 56 Fig. 8:(motore.eps) Schema del motore rotazione torretta... 57 Fig. 9:(pom455d.tif)(compl455.tif) Pompe principali... 58 CAPITOLO 4:VERIFICA DEL FLUIDO BIODEGRADABILE PANOLIN HLP SYNTH 46 UTILIZZATO SUGLI ESCAVATORI FIAT-HITACHI. Fig. 1:(provfhe.eps) Andamento delle proprietà del fluido Panolin HLP SYNTH 46 di tabella 2... 65 Fig. 2:(provrex.eps) Andamento delle proprietà del fluido Panolin HLP SYNTH 46 di tabella 3... 65 Fig. 3:(engler.eps) Viscosimetro di Engler... 66 Fig. 4:(ni_t_pa.eps) Andamento della viscosità in funzione della temperatura... 68 Fig. 5:(ni_t_fl.eps) Andamento della viscosità in funzione della temperatura... 69 Fig. 6:(carapano.eps) Caratteristica Panolin HLP Synth 46... 71 Fig. 7:(carafiat.eps) Caratteristica Fiat Lubrificanti HITECH 46... 72 Fig. 8:(confro2.eps) Confronto grafico... 74 - pag. 6 -
Indice delle Figure Fig. 9:(denspano.eps) Andamento della densità in funzione della temperatura... 75 Fig. 10:(densfiat) Andamento della densità in funzione della temperatura... 76 CAPITOLO 5:ANALISI DELLA TEMPERATURA DI EQUILIBRIO RAGGIUNTA DALL IMPIANTO OLEODINAMICO DELL ESCAVATORE. Fig. 1:(sistener.eps) Schema energetico di un sistema oleodinamico... 78 Fig. 2:(modulo.eps)Modulo usato per il controllo delle temperature... 82 Fig. 3:(sonde.eps) Risultati sperimentali... 83 Fig. 4:(fluidro.eps) Andamento delle temperature del fluido idraulico in alcuni punti del circuito... 84 Fig. 5:(initran.eps) Confronto tra la temperatura del fluido idraulico e quella dell aria nel vano motore nella fase iniziale della prova... 85 Fig. 6:(conftemp.eps) Confronto grafico a parità di temperatura... 93 APPENDICE A:INFORMAZIONI SUGLI ESTERI FORNITE DA PANOLIN DURANTE LA VISITA ALLO STABILIMENTO DI MADETSWIL (CH). Fig. 1:Reazione chimica dell estere... 97 - pag. 7 -
Indice delle Tabelle I NDICE DELLE T ABELLE CAPITOLO 1:FLUIDI IDRAULICI. Tabella 1:Densità... 11 Tabella 2:Modulo di comprimibilità... 15 Tabella 3:Capacità termica massica [kj/kgk]... 24 Tabella 4:Classificazione ISO 6743... 31 CAPITOLO 2:LA BIODEGRADABILITÀ NEI FLUIDI IDRAULICI. Tabella 1:Normative Europee sui fluidi biodegradabili... 35 Tabella 2:Classificazione VDMA 24568... 37 Tabella 3:Proprietà fisiche e chimiche dei fluidi idraulici... 38 Tabella 4:Ecotossicità dei fluidi idraulici... 39 Tabella 5:VDMA 24569 - Materiali di tenuta consigliati -... 44 CAPITOLO 3:APPLICAZIONE DEI BIO-FLUIDI SU MACCHINE MOVIMENTO TERRA TIPO ESCAVATORI FIAT-HITACHI. Tabella 1:Componenti dell impianto principale... 49 Tabella 2:Componenti dell impianto di servocomando... 51 Tabella 3:Viscosità di riferimento... 60 Tabella 4:Confronto qualitativo delle diverse basi biodegradabili... 61 Tabella 5:Caratteristiche dei fluidi di lavoro utilizzati da Fiat-Hitachi... 62 CAPITOLO 4:VERIFICA DEL FLUIDO BIODEGRADABILE PANOLIN HLP SYNTH 46 UTILIZZATO SUGLI ESCAVATORI FIAT-HITACHI. Tabella 1:Punto di scorrimento e test FZG dei fluidi di lavoro utilizzati da Fiat-Hitachi. 63 Tabella 2:Risultati del controllo Panolin sul fluido HLP SYNTH 46 (1)... 64 Tabella 3:Risultati del controllo Panolin sul fluido HLP SYNTH 46 (2)... 64 Tabella 4:Misure di viscosità per il fluido Panolin HLP Synth 46... 67 Tabella 5:Misure di viscosità per il fluido Fiat Lubrificanti HITECH 46... 68 Tabella 6:Costanti del modello di Ubbelhode-Walter... 71 Tabella 7:Temperature limite del fluido Panolin HLP Synth 46... 72 Tabella 8:Temperature limite del fluido Fiat Lubrificanti HITECH 46... 73 Tabella 9:Confronto dei campi di utilizzo dei due fluidi... 73 Tabella 10:Misure di densità per il fluido Panolin HLP Synth 46... 75 Tabella 11:Misure di densità per il fluido Fiat Lubrificanti HITECH 46... 76 CAPITOLO 5:ANALISI DELLA TEMPERATURA DI EQUILIBRIO RAGGIUNTA DALL IMPIANTO OLEODINAMICO DELL ESCAVATORE. Tabella 1:Posizionamento delle sonde sull escavatore EX 455... 81 Tabella 2:Limiti di temperatura stabiliti dalla Hitachi... 82 - pag. 8 -
Indice delle Tabelle APPENDICE B:CALCOLO DELLA POTENZA DISSIPATA DAL SISTEMA E DELLA PO- TENZA REFRIGERANTE DELLO SCAMBIATORE SULL ESCAVATORE EX 455. Tabella 1:Valori sperimentali di pressione... 99 Tabella 2:Valori dei rendimenti... 99 - pag. 9 -
Introduzione I NTRODUZIONE Le macchine movimento terra si possono ritenere, al pari degli aeromobili, le applicazioni più sofisticate dell oleodinamica nelle quali la scelta del fluido di lavoro si riflette direttamente sulle caratteristiche del sistema. Con questo studio si è voluto definire un criterio di valutazione, qualitativo e quantitativo, delle potenzialità dei fluidi idraulici biodegradabili per l impiego su macchine movimento terra. Esso è diretto principalmente agli utilizzatori del prodotto e si basa sia sull analisi delle peculiarità dell applicazione (escavatore Fiat-Hitachi EX 455) sia sulla valutazione sperimentale delle proprietà del fluido (Panolin HLP Synth 46). - pag. 10 -
Bibliografia B IBLIOGRAFIA 1. Articoli [1] Scott, S.D.; "Biodegradable Fluids for Axial Piston Pumps & Motors - Application ConsiderationsAutori"; SAE Technical Paper n 910963. [2] Kiovsky, T.E.;Murr, T.;Voeltz, M.: "Biodegradable Hydraulic Fluids and Related Lubricants"; SAE Technical Paper n 942287. [3] Hooper, D.L.; Hoel, D.I.: "Lubricants, the Environment and ASTM D02"; SAE Technical Paper n 961727. [4] Konishi, A.; Ohkawa, S. et al: "Development of a Hing Performance Biodegradable Hydraulic Oil for Construction Equipment"; SAE Technical Paper n 971632. [5] Lämmle, P.; "Panolin HLP Synth - More Than a Decade of Experience"; SAE Technical Paper n 981492. [6] Totten, G.E.; Kling, G.H.; Reichel, J.: "Biodegradable Hydraulic Fluids: A Review"; The Sixth Scandinavian International Conference on Fluid Power, Vol.1 pp.93-112, 26-28 May 1999. [7] Kutter, B; Feldmann, D.G.: "Environmentally Acceptable Biodegradable Hydraulic Fluids for Ship-Deck Machinery"; The Sixth Scandinavian International Conference on Fluid Power, Vol.2 pp.1035-1048, 26-28 May 1999. [8] Totten, G.E.; Kling, G.H.; Reichel, J: "Biodegradable Hydraulic Fluids: A Review"; Forth JHPS International Symposium, pp.285-290, November 1999. [9] Feldmann, D.G.: "Ricerche per la valutazione del comportamento di liquidi idraulici non dannosi per l ambiente in sistemi idrostatici con sollecitazioni specifiche elevate"; Politecnico di Amburgo-Harburg, Reparto di Tecnica delle Costruzioni I. [10] Busch, C: "Olio di colza sul banco prova. Stabilità d invecchiamento e capacità di protezione contro l usura"; Istituto per azionamenti e comandi idraulici e pneumatici della RWTH. [11] Galle-Gutbrecht, R.: "Fluidi idraulici non nocivi per l ambiente - Parametri che ne influenzano la compatibilità con le guarnizioni"; Martin Merkel GmbH & Co KG, Hamburg. [12] Beitelman, A.D.: "Environmentally Friendly Lubricants"; U.S. Army construction Engineering Research Laboratories. - pag. 101 -
Bibliografia Testi [13] Lämmle, P.; "Panolin HLP Synth"; Note fornite dalla PANOLIN High-Tech Schmiestoff. [14] Chen, V.M.; Wessol, A.A. et al: "Oli idraulici Biodegradabili e non ecotossici"; Note fornite dalla Mobil Oil Corporation. [15] Bellagamba, D.: "Note sui fluidi biodegradabili"; Note fornite dalla Pakelo Motor Oil. [16] Balza, C.: "Note su oli biodegradabili"; Servizio Tecnico Shell Italia S.p.a. [17] : Notes on the use of esters; Note fornite dalla Mannesmann Rexroth. [18] : "Fluidi Biodegradabili"; Note fornite dalla Linde Hydraulik. [19] : "Environmentally Friendly Fluids"; Note fornite dalla Houghton Italia. [20] Martin, L.: "Test svolti su liquidi biodegradabili. Prova alla sollecitazione di taglio e misure di filtrabilità"; Poclain Hydraulics S.A, Verberie, Francia. [21] Lamb, W.S.: "Cavitation and Aeration in Hydraulic Systems"; BHRA, The Fluid Engineering Centre, 1987. [22] Pettersson, M.: "Design of Fluid Power Piston Pump. With special reference to noise reduction"; Linköping Studies in Science and Technology No. 394, 1995. [23] Totten, G.E.; Sun, Y.H.; Bishop, R.J.jr.: "Hydraulic Fluids: Foaming, Air Entrainment and Air Release - A Review"; SAE Technical Paper n 97278. 2. Testi [24] Nervegna, N.: "Oleodinamica e Pneumatica"; Voll.1-6, Politeko, Torino, 1998. [25] Citrini, D.; Noseda, G.: "Idraulica"; Casa Editrice Ambrosiana, Milano, 1987. [26] Rigamonti,G.: "Oleodinamica e Pneumatica"; Hoepli, Milano, 1987. [27] Jacazio,G; Piombo, B.: "Meccanica applicata alle macchine"; Vol.2, Levrotto & Bella, Torino, 1992. [28] Funaioli, E.; Maggiore, A.;Meneghetti, U.: "Lezioni di meccanica applicata alle macchine"; Vol.1-2, Pàtron Editore, Bologna, 1994. [29] Boffa, C.; Gregorio, P: "Elementi di fisica tecnica"; Libreria Editrice Universitaria Levrotto & Bella, Torino, 1984 - pag. 102 -
Bibliografia Normative 3. Normative [30] VDMA Einheisblatt: "24568 - Biologisch schnell abbaubare Druckflüssigkeiten"; März 1994, Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin. [31] VDMA Einheisblatt: "24569 - Biologisch schnell abbaubare Druckflüssigkeiten"; März 1994, Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin. 4. Service Bulletin [32] Fiat Normalizzazione: "Determinazione delle proprietà antiusura dei lubrificanti mediante macchina FZG"; Service Bullettin n 50526/01 del 1973. [33] Mannesmann Rexroth: "Environmentally Acceptable Hydraulic Fluids HETG, HEPG, HEES for Axial Piston Units"; Service Bulletin RE n 90 221/05.93 del 1993. [34] Mannesmann Rexroth: "Hydraulic Fluids on a Petroleum Oil Basis for Axial Piston Units"; Service Bulletin RE n 90 220/12.95 del 1995. [35] Mannesmann Rexroth: "Fluids on a Mineral Oil Basis for use with Vane Pumps, Gear Pumps and for MZ, MCS, MCR, MR and MKM/MRM Motors"; Service Bulletin RE n 07 075/03.92 del 1992. [36] Mannesmann Rexroth: "Environmentally compatible fluids for hydrauli components"; Service Bulletin RE n 03 145/05.91 del 1991. [37] Fiat Hitachi: "Opzioni d uso di Olio Idraulico biodegradabile"; Service Bulletin TC n 008/97 del 1997 [38] Fiat-Hitachi: "Problems on FH-Excavators FH 130 and FH 150W with hydraulic fluid IDRAULICAR BS 68"; Meeting FHE in Milan 20/11/1996. [39] Imagin: "Hydraulic Fluid Properties"; Technical Bullettin n 104, Roanne, 1998. - pag. 103 -