Основные физические свойства и характеристики технического состояния рабочих жидкостей

1. Плотность – отношение массы жидкости к ее объему:

, кг/м³ (1)

 

 

Рисунок 1 – Зависимость плотности рабочих жидкостей от температуры.

 

 

Плотность рабочих жидкостей на нефтяной основе уменьшается при повышении температуры (рис. 1), и это должно учитываться при расчете гидропривода. Плотность масел определяется по ГОСТ 3900-85 и в технических характеристиках указывается для температур 20 или 50°С. Плотность рабочих жидкостей на нефтяной основе в зависимости от температу­ры может быть определена по формуле:

, (2)

 

где - плотность жидкости при = 20^оС, кг/м³; - температурный коэффициент расширения, ^оС^-1.

В формуле (2) среднее значение коэффициента можно в инженерных расчетах принимать постоянным: ^о С^-1.

2. Удельный вес – отношение веса жидкости к ее объему:

, Н/м³ или (3)

3. Вязкость - сопротивление жидкости деформации сдвига, обусловленное силами внутреннего трения. Вязкость — самый важный показатель, определяющий работоспособность и эффективность гидропривода. Она характеризуется коэффициентами динамической вязкости или кинематической
вязкости, связанных отношением:

, м²/с, (4)

где — плотность жидкости.

Определение коэффициентов кинематической и динамической вязкости масел на нефтяной основе осуществляется по ГОСТ 33-82. Для этой цели используют капил­лярные, ротационные или вибрационные вискозиметры.
Первые из указанных нашли наибольшее распространение.

В расчетах гидропривода чаще используется коэффи­циент кинематической вязкости, который имеет размерность м²/с (1 м²/с = 10⁶ сСт). В технических характеристиках вязкость рабочих жидкостей указывается для тем­пературы 50°С, а моторных масел - для температуры 100°С. Вязкость масел на нефтяной основе не является постоян­ной величиной, она зависит от температуры, давления и длительности эксплуатации.

Наиболее полную информацию о характере изменения вязкости в зависимости от температуры дает график, построенный в логарифмических координатах - t (рис. 2), на котором вязкостно-температурные зависимости почти всех рабочих жидкостей изображаются прямыми линиями. По составу нефть - сложная многокомпозиционная смесь парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов, постепенное застывание которых определя­ет при понижении температуры увеличение вязкости жидкости на нефтяной основе. Лучшие эксплуатационные свойства в гидроприводе имеют такие жидкости, у которых более пологая вязкостно-температурная зависимость.

 

Рисунок 2 – Зависимость вязкости рабочих жидк2остей от температуры.

 

В идеале вязкость жидкости не должна изменяться под действием температуры.

На вязкость оказывает значительное влияние и давление в гидросистеме, с увеличением которого вязкость рабочей жидкости увеличивается. Влияние низкого и среднего давления на вязкость жидкости незначительно, поэтому в инженерных расчетах силовых гидроприводов увеличение вязкости при давлении до 10 МПа не принимают во внимание. При расчете следящих систем и систем гидроавтоматического управления учитывают повышение вязкости и при средних давлениях. При проектировании гидроприводов на номинальное давление 10 МПа и выше всегда необходимо учитывать зависимость вязкости жидкости от давления коэффициентом [14]:

, (5)

где - коэффициент, зависящий от марки масла: для легких масел ( < 15·10^-6 м²/с) = 0,02, для тяжелых масел ( > 15·10^-6 м²/с) = 0,03; Р - давление жидкости, МПа.

На рисунке 3 показана зависимость коэффициента от давления, которую можно использовать при расчете гидроприводов.

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента от давления: 1 – легкие масла; 2 – тяжелые масла.

 

4. Сжимаемость - свойство жидкости изменять свой объем при изменении давления. Величина сжатия характеризуется коэффициентом сжимаемости , который показывает изменение объема при увеличении давления:

м²/н, (6)

где и - соответственно объем при начальном и конечном давлении.

Величина, обратная коэффициенту сжимаемости, на­зывается объемным модулем упругости жидкости: . Для минеральных масел объемный модуль упру­гости Е = (13,5 -17,5)·10⁸ Н/м², а для воды Е = 21·10⁸ Н/м².

5. Температурное расширение - свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры. Величина расширения характеризуется коэффициентом температурного расширения, который по­казывает относительное изменение объема при измене­нии температуры:

, 1/^oC (7)

где и соответственно объем при начальной и конеч­ной температуре.

В инженерных расчетах часто требуется определить объем, который будет занимать жидкость при повышении (или понижении) температуры:

. (8)

Значения коэффициента температурного расширения для различных жидкостей приводятся в справочной лите­ратуре, например, для минеральных масел

1/^oC,

а для воды 1/^oC.

 

 

6. Теплоемкость - количество теплоты, необходимое для нагревания тела на 1^оС. Средняя удельная теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо израсходовать для нагре­вания тела массой 1 кг на 1°С. В инженерных расчетах можно принимать среднюю удельную теплоемкость:

- для масел С_м=1,88·10³ Дж/кг·град.;

- для сталей С_го=0,46·10³ Дж/кг·град.;

- для воды С_в=4,19·10³ Дж/кг·град.

Среднюю удельную теплоемкость минеральных масел можно определить по эмпирической формуле Караваева:

С_м=2020+1,61 (t-100),

где t - температура масла, ^оС.

От теплоемкости зависит интенсивность разогрева гидропривода. Чем больше теплоемкость, тем медленнее при прочих равных условиях повышается температура рабочей жидкости.

7. Теплопроводность - процесс самопроизвольной передачи теплоты от участков тела с более высокой температурой к участкам с более низкой. Теплопроводность обусловлена хаотическим тепловым движением молекул или атомов. Количество теплоты, которое проходит за 1 с слой толщиной 1 см может
быть определен по формуле:

, Вт, (9)

где - коэффициент теплопроводности, Вт/м °С; - разность температур между двумя точками, °С; 1 - расстояние между этими точками, м; S - площадь, через которую идет теплообмен, м²; - время, с.

В инженерных расчетах коэффициент теплопроводности можно принимать:

- для масел = 0,136 Вт/м ^оС;

- для сталей =45,4 Вт/м ^оС;

- для чугунов = 62,8 Вт/м ^оС;

- для воды = 0,595 Вт/м ^оС;

- для воздуха =0,0238 Вт/м ^оС.

Следует помнить, что средняя удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности являются переменны­ми величинами, зависят от температуры, сорта масел и др. Однако в современных инженерных расчетах небольшие изменения этих параметров не учитываются и они принимаются постоянными.

8. Поверхностное натяжение - сила сопротивления жидкости изменению формы своей поверхности, обусловленная межмолекулярным взаимо­действием. От величины поверхностного натяжения за­висит пенообразование жидкости. Для снижения пенообразования в рабочую жидкость в небольшом количестве (0,002 - 0,005%) вводят противопенные присадки на осно­ве кремнийорганических соединений. Коэффициент поверхностного натяжения пропорционален плотности жид­кости и уменьшается при повышении температуры. В инженерных расчетах коэффициент поверхностного на­тяжения принимают:

- для масел = 0,025 Н/м;

- для воды = 0,073 Н/м.

9. Температура застывания определяет предел текучести масла, т. е. предел его под­вижности. Повышение вязкости масла вызывает увеличе­ние потерь мощности на его прокачивание в гидросисте­ме и может привести к полной потере работоспособности гидропривода самоходной машины. В технической харак­теристике масла указана температура застывания, изме­ренная лабораторным путем. В гидравлической системе машин температура текучести (прокачиваемости) отлича­ется от температуры, определенной в лаборатории. Пре­дельная температура прокачиваемости масла в гидросис­теме обычно на 8-12°С выше температуры застывания, указанной в технической характеристике масла.

Температурой застывания (ГОСТ 20287-74) считают такую максимальную температуру, при которой мениск масла в пробирке, наклоненной на 45°, не меняет своей формы в течение 1 мин.

10. Температура вспышки. При нагревании масла легкие углеводороды испаряются, образуя с воздухом воспламеняющуюся смесь. Минималь­ная температура, при которой пары масла образуют с воз­духом смесь, воспламеняющуюся при поднесении откры­того огня, называется температурой вспышки. Находят ее по ГОСТ 4333-85, 6356-75 и 11-85.

Температура вспышки является важным показателем, определяющим пожарную безопасность масел. При опре­делении температуры вспышки в лабораторных условиях в процессе нагревания масел на нефтяной основе легко­летучие продукты рассеиваются раньше, чем их окажется достаточно для воспламенения. Поэтому в реальных ус­ловиях хранения и эксплуатации температура вспышки оказывается на 10 - 15°С ниже температуры, определен­ной лабораторным путем.

11. Смазывающие свойства жидкости (маслянистость) характеризуются способностью обеспечи­вать на поверхности металла прочную пленку, препятству­ющую непосредственному контакту сопряженных деталей. Жидкость должна обладать противоизносными и противозадирными свойствами. Оцениваются они коэффици­ентом трения, который определяется на специальных ма­шинах трения. Естественно, чем выше смазывающие свойства, тем качественнее рабочая жидкость. Для улуч­шения смазывающих свойств к нефтяной основе добав­ляются противоизносные и противозадирные присадки, в состав которых входят высокомолекулярные жирные кислоты, органические синтезированные соединения, содер­жащие серу, фосфор, хлор.

12. Химическая и механическая стабильность масел. Под стабильностью (стойкостью) понимается способность жидкостей сохранять свои свойства в условиях эксплуата­ции и хранения.

Химическая стабильность рабочих жидкостей оцени­вается кислотным числом (КОН), которое определяет ко­личество миллиграммов едкого кали, нейтрализующего 1 г масла. У свежего масла без присадок КОН равен 0,1—0,2 мг, при введении присадок эта величина удваивается, а при эксплуатации повышается до 0,5—0,6 мг. Предель­ным кислотным числом считается 1,5 мг, после чего мас­ло подлежит замене. Стабильность против окисления определяется по ГОСТ 981-75, 5985-79 или ГОСТ 11362-76.

В процессе эксплуатации на рабочую жидкость воздей­ствуют положительные и отрицательные температуры (ди­апазон от -50 до +100°С), большие давления (до 32 МПа) в объеме жидкости, высокие контактные давления в зоне зацепления шестеренных насосов и сферических соеди­нениях аксиально-поршневых насосов, вибрация трубо­проводов и гидрооборудования. Происходит многократ­ная деформация (мятие) жидкости при прохождении ее через штуцера, тройники, щелевые зазоры и дроссели, осо­бенно через острые кромки и заусенцы деталей гидроап­паратуры. Все это в конечном итоге вызывает химическую (отложение смол) и механическую (разрушение молекул) деструкции жидкости, которые сопровождаются уменьшением вязкости и ухудшением смазывающих свойств. При уменьшении вязкости на 20% по отноше­нию к первоначальной масло подлежит замене.

Химическое разложение жидкости происходит в резуль­тате окисления ее кислородом воздуха, каталитическое действие при этом оказывает температура. Повышение температуры на каждые 8-10°С удваивает окисление минерального масла. Особенно интенсивно жидкость окис­ляется при наличии в ней растворенного воздуха и меха­нических примесей. Для увеличения срока эксплуатации рабочей жидкости за счет снижения ее химического раз­ложения при проектировании гидросистемы необходимо:

—стремиться к уменьшению температуры, жидкости;

—обеспечивать надежную фильтрацию жидкости;

—стремиться к уменьшению контакта с воздухом в гидробаке;

—обеспечивать защиту гидросистемы от попадания воздуха и влаги.

Для снижения механической деструкции рабочей жид­кости конструктор должен стремиться к уменьшению виб­рационных воздействий на гидропривод, уменьшению количества щелевых зазоров, дросселей, капиллярных ка­налов, избегать резкого изменения потока.

13. Механические примеси подразделяют на две группы: органические и неоргани­ческие. Органические загрязнения состоят в основном из продуктов термического разложения, окисления и поли­меризации масла, неорганические - из почвенной пыли и частиц износа поверхностей трения. Основную часть механических примесей (60-80%) составляют частицы неорганического происхождения, представляющие собой почвенный мелкозем и железо.

Механические примеси (загрязнения) в гидросистеме
способствуют увеличению окисления масла, особенно в
момент образования частиц износа, когда повышены их
поверхностно-активные свойства. В качестве основных
источников и причин загрязнения рабочей жидкости мож­но выделить следующие:

— загрязнение гидросистемы в период изготовления гидрооборудования и сборки гидроприводов;

— загрязнение гидросистемы в результате износа по­верхностей трения деталей гидрооборудования;

— загрязнение гидросистемы в процессе эксплуатации.

Наличие в рабочих жидкостях абразивных частиц, твер­дость которых, как правило, выше твердости трущихся поверхностей металлов, а тем более полимеров, значи­тельно увеличивает интенсивность износа гидрооборудо­вания и вызывает задир и заклинивание прецизионных сопряжений. Поэтому присутствие в масле механических примесей нежелательно. Содержание механических при­месей в единице объема (мг/л или в %) определяется по ГОСТ 6370-83 и ГОСТ 12275-66, а количество частиц раз­личных размеров (гранулометрический состав) - по ГОСТ 17216-71. Этим ГОСТом установлено 19 классов чистоты рабочих жидкостей (табл. 1). Весь диапазон размеров механических примесей от 0,5 до 200 мкм разбит на во­семь интервалов. Для каждого класса чистоты в этих ин­тервалах указано максимальное число частиц загрязнений определенных размеров в объеме жидкости 100 см³.

Самым опасным для прецизионных сопряжений (плун­жерных и золотниковых пар гидроаппаратуры и аксиаль­но-поршневых насосов) являются частицы, соизмеримые с зазором соединения. Проникая в зону контакта, они вызывают задиры поверхностей трения и даже заклини­вание деталей. Для шестеренных насосов и гидромото­ров, гидроцилиндров и запорно-клапанной гидроаппара­туры опасным являются самые крупные частицы, так как интенсивность износа деталей гидрооборудования прямо пропорциональна размеру загрязнений.

Для гидроприводов различного технологического на­значения установлены следующие классы чистоты:

— для авиационных гидроприводов 8 - 9 классы;

— для металлорежущих станков и кузнечно-прессового оборудования 11 – 12 классы;

— для самоходных машин, эксплуатируемых при дав­лении 16 - 25 МПа, 12 - 13 классы;

— для тех же гидроприводов, эксплуатируемых при давлении 8 - 14 МПа, 13 – 14 классы.

Для снижения уровня загрязненности рабочей жидкости применяются различные типы фильтров.

14. Содержание воды в рабочей жидкости не допускается или строго ограничи­вается. Наличие в масле даже небольшого ее количества (менее 0,1% по весу) резко увеличивает пенообразование, вследствие чего ухудшается смазывающая способность жидкости, интенсифицируются окисление масла и кор­розия металлических поверхностей. Пена оказывает отрицательное влияние на всасывающую способность насо­сов, динамику гидропривода и металлоконструкции ма­шины.

Присутствие воды и эмульсии в масле определяется по ГОСТ 2477-65. В условиях эксплуатации наличие воды в рабочей жидкости можно определить визуально. Для это­го в стеклянную пробирку наливают примерно 100 см³ масла, и капли эмульсионной воды размером 30 мкм и более видны невооруженным глазом.

15. Содержание газов в рабочей жидкости также отрицательно влияет на ее эксплуатационные свойства. Проникают газы (воздух) в гидросистему различными способами. Наиболее рас­пространенный путь через разъемные соединения всасы­вающей линии, особенно при низких температурах, когда происходит усадка эластичных уплотнений и релаксация соединений ниппель-гайка-штуцер. При этом существен­но увеличивается разрежение во всасывающей камере насосов вследствие повышения вязкости масел.

Таблица 1 – Классы чистоты жидкости (ГОСТ 17216-71).

 

Число частиц загрязнений в объеме жидкости 100+0,5 см3, не более, при размере частиц, мкм	Масса загрязнений, %, не более
Св. 0,5 до 1	Св. 1 до 2	Св. 2 до 5	Св. 5 до 10	Св. 10 до 25	Св. 25 до 50	Св. 50 до 100	Св. 100 до 200	Во-лок-на
						От-сутст-вие	А.О.	А.О.	Не норми-руется
						От-сутст-вие
						От-сутст-вие
									0,0002
									0,0002
									0,0004
									0,0006
									0,0008
									0,0016
									0,032
									0,005
									0,008
									0,016
									0,032
									0,063

 

 

ПРИМЕЧАНИЯ: 1. «Отсутствие» означает, что при взятии одной пробы жидкости частицы заданного размера не обнаружены или при взятии не­скольких проб общее число обнаруженных частиц меньше числа взятых проб. 2. А. О. - абсолютное отсутствие частиц загрязнений. 3. Масса загрязнений для классов 6 - 12 дана факультативно, т. е. не является обя­зательным контрольным параметром. Контроль может вводиться по ус­мотрению заказчика системы, применяющего жидкость.

 

Кроме того, газы (воздух) проникают через всасывающий патру­бок при неполном заполнении гидробака, а также через изношенные золотники направляющей и регулирующей гидроаппаратуры и валы насосов. В открытых гидропри­водах газы проникают через свободную поверхность жид­кости в гидробаке и гидроаккумуляторе.

Газы (воздух) присутствуют в минеральных маслах в растворенном (дисперсном) и нерастворенном состоянии. В нерастворенном состоянии газы представляют собой пузырьки диаметром до 0,8 мкм, которые при работе гидропривода постоянно делятся на более мелкие и вновь объединяются между собой. В растворенном состоянии газы (воздух) рассеиваются в рабочей жидкости в виде отдельных молекул. При понижении давления ниже ат­мосферного (например, во всасывающей линии насосов, дросселях, крутых изгибах трубопроводов и т. д.) молеку­лы объединяются с нерастворенным газом и испаряющейся при низком давлении влагой в парогазовые пузырьки ди­аметром от 0,2 и выше мкм. В объеме рабочей жидкости эти парогазовые пузырьки циркулируют в гидросистеме, вызывая кавитацию. При попадании парогазовых пузырьков в зону высоких давлений происходит обратный про­цесс растворения. При работе гидропривода эти процессы повторяются несколько раз в минуту.

 

 

Рисунок 4 – Зависимость содержания растворенного воздуха в минеральных маслах от времени хранения жидкости.

На рис. 4 представле­на экспериментальная за­висимость содержания растворенного воздуха в минеральных маслах от времени хранения жид­кости под атмосферным давлением. Примерно че­рез 200 часов происходит избыточное насыщение масла воздухом. После этого процесс стабилизируется. Приведенный выше график получен при спокойном состоянии сво­бодной поверхности масла, а при интенсивном перемешивании время насыщения составляет доли секунды.

Количество растворенного газа (воздуха) зависит от вида газа и растворителя (масла), температуры и давления. При постоянной температуре объем растворенного газа может быть определен по формуле:

,

где - объем жидкости; Р - абсолютное давление газа, находящегося над жидкостью; Р₀ - начальное давление газа; - коэффициент растворимости газа.

Коэффициент растворимости воздуха равен ≈ 0,1. Это значит, что в одном литре масла при атмосферном давле­нии содержится примерно 0,1 л растворенного воздуха.

Наличие газовой фазы в растворенном и нерастворенном виде вызывает следующие отрицательные последст­вия:

— интенсивное окисление рабочей жидкости кислородом воздуха, что резко уменьшает срок ее службы;

— снижение защитных свойств жидкости, что ведет к
повышению сил трения и интенсивности износа деталей
гидрооборудования;

ухудшение динамических характеристик гидропривода, что уменьшает вода, что уменьшает долговечность гидрооборудования и металлоконструкций машины;

— снижение точности движения гидродвигателей, что
в свою очередь снижает точность изготовления обрабаты­ваемых на станках деталей;

— повышение шума и вибраций в гидроприводе;

— повышение мощности привода насосов.

В современных гидроприводах машин используют различные способы и устройства дегазации рабочей жидкости.

16. Зольность - количество остатка, полученного от прокаливания и сжи­гания масла. Зольность выражается в процентах от веса сжигаемого масла. При сжигании масла минеральные вещества переходят в золу в виде окислов и солей. Чем меньше зольность, тем выше качество рабочих жидкостей. У современных рабочих жидкостей она составляет 0,2—1,5%.

17. Коксуемость - свойство масел под действием высоких температур (500-600^оС) без доступа воздуха образовывать углистый осадок (кокс). Коксуемость выражается в процентах от веса нагреваемого масла. Чем меньше коксуемость (коксовое число), тем выше качество рабочих жидкостей. У совре­менных масел коксовое число составляет менее одного процента.

18. Облитерация - процесс образования на поверхностях гидрооборудования твердого осадка из молекул масел. При движении актив­но-полярных молекул через щелевые зазоры и капилляр­ные каналы, обладающие поверхностной энергией в виде внешнего электрического поля, на стенках каналов про­исходит отложение этих молекул. Каталитическое воздей­ствие на облитерацию оказывают скорость протекания масла, величина щелевого зазора или капиллярного кана­ла и перепад давления. Облитерация оказывает отрицательное действие на работоспособность гидроприводов. Уменьшаются проходное сечение и чувствительность сле­дящих систем, возможно «залипание» золотников направ­ляющей и регулирующей гидроаппаратуры.