Виды рабочих жидкостей. Физические свойства жидкостей
Рабочие жидкости
1 . ТРЕБОВАНИЯ К РАБОЧИМ ЖИДКОСТЯМ.
Нормальная эксплуатация гидропривода возможна при использовании таких рабочих жидкостей,которые одновременно могут выполнять различные функции.
В первую очередь рабочая жидкость в гидроприводе является рабочим телом, т.е. является носителем энергии, обеспечивающим передачу последней от источника энергии (двигателя) к её потребителю (исполнительным механизмам). Кроме того, рабочая жидкость выполняет роль смазки в парах трения гидропривода, являясь смазывающим и охлаждающим агентом, и средой, удаляющей продукты изнашивания. К функциям рабочей жидкости относится и защита деталей гидропривода от коррозии.
В связи с этим к рабочим жидкостям предъявляются разносторонние требования, в некоторой степени противоречивые и выполнение которых в полной мере не всегда возможно. К ним относятся:
Хорошие смазочные свойства;
Малое изменение вязкости при изменении температуры и давления;
Инертность в отношении конструкционных материалов деталей гидропривода;
Оптимальная вязкость, обеспечивающая минимальные энергетические потери и нормальное функционирование уплотнений;
Малая токсичность самой рабочей жидкости и её паров;
Малая склонность к вспениванию;
Антикоррозийные свойства; способность предохранять детали гидропривода от коррозии;
Оптимальная плотность;
Долговечность;
Оптимальная растворимость воды рабочей жидкостью: плохая для чистых минеральных масел; хорошая для эмульсий и т.п.
Невоспламеняемость;
Малая способность поглощения или растворения воздуха;
Хорошая теплопроводность;
Малый коэффициент теплового расширения;
Способность хорошо очищаться от загрязнений;
Совместимость с другими марками рабочей жидкости;
Низкая цена;
Невыполнение этих условий приводит к различным нарушениям в функционировании гидропривода. В частности плохие смазочные или антикоррозийные свойства приводят к уменьшению сроков службы гидропривода; неоптимальная вязкость или её слишком большая зависимость от режимов работы гидропривода снижают общий к.п.д. и т.д.
Нормальная и долговременная работа гидропривода определяется в равной мере как правильностью выбора марки рабочей жидкости при конструировании,так и грамотной эксплуатацией гидропривода.
2 .СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ
2.1 ОБЩЕФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Плотность рабочей жидкости - физическая величина, характеризующая отношение массы m жидкости к её объёму:
Размерность плотности - кг / м3.
Величина плотности имеет большое значение для энергетических характеристик гидропривода. От неё зависит величина гидравлических потерь, определяемая, как
где С - скорость движения жидкости.
Изменение плотности рабочей жидкости при изменении темпе-ратуры от t1 до t2 описывается выражением:
rt2 =r n1 / 1+b(t2-t1).
где b - коэфициент объемного расширения.
Относительное изменение объема жидкости при изменении температуры характеризуется температурным коэффициентом объёмного расширения b .
где V и DV - начальный объём и приращение объёма при повышении температуры на Dt. Размерность коэффициента b - 1/°c.
Изменение объёма DV и объём рабочей жидкости при изменении температуры с t1 до t2 может быть определено по формулам:
Vt2= Vt1.
Величина коэффициента объёмного расширения невелика. Однако, это изменение следует всё же учитывать при расчёте гидроприводов с замкнутой циркуляцией потока, чтобы избежать разрушений элементов гидропривода при нагреве.
Возможность разрушения деталей гидропривода обусловлена разницей в значениях температурного коэффициента объёмного расширения рабочей жидкости и металла деталей гидропривода. Повышение давления,обусловленное нагревом, принято оценивать по формуле:
Dp = (b-bм)DtE / k
где bм - коэффициент объёмного расширения материала деталей гидропривода;
E - модуль упругости жидкости;
k- коэффициент, характеризующий объёмную упругость материала элементов гидропривода.
Грубая оценка повышения давления в замкнутом сосуде при нагреве на 10°C и принятых средних значениях b=8.75 10-4, bм=5.3 10-5, E=1.7 103 Мпа и k=1 дает величину около 15 Мпа. Поэтому в гидроприводе с замкнутой циркуляцией, эксплуатируемых при широком диапазоне изменения температуры рабочей жидкос- ти, должны быть установлены предохранительные клапаны или другие устройства, компенсирующие температурное увеличение объёма жидкости.
Сжимаемость жидкости - это её способность под действием внешнего давления изменять свой объём обратимым образом, т.е. так, что после прекращения действия внешнего давления восстанав- ливается первоначальный объём.
Сжимаемость жидкости характеризуется модулем упругости жидкости Е с размерностью Па (или Мпа) .
Уменьшение объёма жидкости под действием давления определяется по формуле
При повышении давления модуль упругости увеличивается, а при нагреве жидкости - уменьшается.
Обычно в масле работающего гидропривода содержится до 6% нерастворённого воздуха. После отстаивания в течение суток содержание воздуха уменьшается до 0.01-0.02%. В этом случае рабочая жидкость представляет собой газожидкостную смесь, модуль упругости которой подсчитывается по формуле:
Егж = Е(Vж/Vp+1)/(V ж/Vp+E p0/p 2)
где Vж, Vp - объёмы соответственно жидкостной и газовой фаз при атмосферном давлении Р0.
В рабочей жидкости содержится также определённое количество растворённого воздуха (пропорциональное величине давления), который практически не влияет на физико-химические свойства масла, однако способствует возникновению кавитации, особенно во всасывающих линиях насосов, в дросселях и других местах гидропривода, где происходит резкое изменение давления.
2.2 ВЯЗКОСТЬ
Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление сдвигу одного слоя относительно другого под действием касательной силы внутреннего трения. Напряжение трения согласно закону Ньютона пропорционально градиенту скорости dC/dy
Коэффициент пропорциональности h носит название динамиче-ской вязкости
Единицей динамической вязкости является 1Па.с.(паскаль-секунда).
Более распространённым является другой показатель - кинематическая вязкость, которая учитывает зависимость сил внутреннего трения от инерции потока жидкости. Кинематическая вязкость (или коэффициент динамической вязкости) определяется выражением
Единицей кинематической вязкости является 1м2/c. Эта величина велика и неудобна для практических расчётов. Поэтому используют величину в 104 меньше -1 см2/c = 1Cт(стокс) , или 1 сотую часть Ст - сСт (сантистокс). В нормативно-технических документах обычно ука-зывают кинематическую вязкость при 100°С - (g100) или при 50 °С -(g50). Для новых марок масел в соответствии с международными нормами указывается вязкость при 40°С (точнее при 37.8°С) - g40. Указанная температура соответствует 1000 по Фаренгейту.
На практике используются и другие параметры, характеризующие вязкость жидкостей. Часто используют так называемую условную или относительную вязкость, определямую по течению жидкости через малое отверстие вискозиметра (прибора для определения вязкости) и сравнению времени истечения с временем истечения воды. В зависимости от количества испытуемой жидкости, диаметра отверстия и других условий испытаний применяют различные показатели. В России для измерения условий вязкости приняты условные градусы Энглера (°Е), которые представляют собой показания вискозиметра при 20, 50 и 100°С и обозначаются соответственно °E20; °E50 и °E100 . Значение вязкости в градусах Энглера есть отношение времени истечения через отверстие вяскозиметра 200 см3 испытуемой жидкости к времени истечения такого же количества дистиллированной воды при t=20 С..
Вязкость жидкости зависит от химического состава, от температуры и давления. Наиболее важным фактором, влияющим на вязкость, является температура. Зависимость вязкости от температуры различна для различных жидкостей. Для масел в диапазоне температур от t = +50 0C до температуры начала застывания применяется фор-мула:
nж= n50 exp (A / Tжa)
где nж - значение кинематической вязкости при температуре Tж (° K), в cCm;
A и a - эмпирические коэффициенты.
Для некоторых рабочих жидкостей значения коэффициентов А и а приведены в табл. 1.
Таблица 1.
|
Заказ работы
Наши специалисты помогут написать работу с обязательной проверкой на уникальность в системе «Антиплагиат»
Отправь заявку
с требованиями прямо сейчас, чтобы узнать стоимость и возможность написания.
Рабочие жидкости являются необходимой составной частью гидравлического привода, выполняя важнейшую функцию - роль рабочего тела. Именно рабочие жидкости в значительной степени определяют возможные рабочие параметры, технический ресурс и показатели надежности приводов. Ошибки в выборе рабочих жидкостей и смазочных сред влекут за собой повышенное изнашивание гидравлического оборудования, а в ряде случаев приводят к его преждевременным отказам. Кроме того, предприятия, использующие гидравлическое оборудование, несут серьезные экономические потери, связанные с утечками рабочей жидкости, которые могут возникать не только из-за изнашивания и старения уплотнений, но и по причинам перегрева рабочей жидкости, вызванного ее загрязнениями. Круг подлежащих решению вопросов, связанных с рациональным выбором и эксплуатацией рабочих жидкостей, чрезвычайно широк и требует комплексного рассмотрения сложных задач, находящихся на стыке, с одной стороны, машиноведения, гидравлики и экономики, с другой - трибологии, нефтехимии, теплотехники. Такой комплекс вопросов трудно решать как инженеру-механику, так и инженеру-нефтехимику с традиционной подготовкой. В связи с эти сравнительно недавно возникло новое научно-техническое направление - химмотология.
Химмотология - наука о свойствах, качестве и рациональном использовании топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей, изучающая, в частности, с единых логических позиций процессы в элементах механизмов, контактирующих с рабочей жидкостью или со смазочной средой. Слово «химмотология» образовано сокращением трех слов: химия (chemia - греч.); мотор (motor - лат.); логия (logos - греч. - наука).
Практика эксплуатации гидрофицированных машин и механизмов выявила целесообразность подготовки обслуживающего персонала в области химмотологии, поскольку квалифицированный выбор, грамотное техническое обслуживание и эксплуатация рабочей жидкости не только увеличивают срок ее службы, но и повышают технический ресурс гидроприводов. Очень важно рассматривать рабочие жидкости и смазочные материалы совместно с работой гидравлических систем и их элементов.
Здесь рассмотрены процессы в элементах гидромашин и приведены принципиальные математические зависимости, описывающие эти процессы, а также существующие эмпирические формулы. Кроме того, более детально рассмотрены физические свойства жидкостей в связи с возможностью оперировать ими при современных методах расчета гидросистем. Особое внимание уделено механизму старения рабочих жидкостей и его связи с молекулярной структурой последних.
Условия эксплуатации рабочей жидкости могут быть весьма сложными:
Это широкий диапазон температур (-60…+90С);
Высокие скорости потока при дросселировании - более 50 м/с;
Высокие давления, достигающие 32 МПа и выше;
Контакт рабочей жидкости с различными конструкционными материалами.
Перечисленные условия эксплуатации повышают уровень требований, предъявляемых к рабочим жидкостям гидравлических систем.
Рабочие жидкости делят на две группы:
Группа 1 - с обычной воспламеняемостью. Это рабочие жидкости на минеральной (нефтяной) основе;
Группа 2 - с пониженной воспламеняемостью или огнестойкие. Это водосодержащие и синтетические рабочие жидкости.
Рабочие жидкости на нефтяной основе имеют сравнительно низкую верхнюю границу рабочего температурного диапазона и содержат антиокислительные и противокоррозионные присадки. Верхний температурный предел минеральных масел - от 80 до 90С кратковременным повышением температуры до 110…120С.
Синтетические рабочие жидкости обладают высокотемпературными свойствами и обеспечивают пожаробезопасность при температурах до 350С. Однако они сравнительно дороги, что ограничивает их применение. В гидросистемах используют следующие классы синтетических жидкостей:
1)диэфиры (сложные эфиры);
2) силоксаны (жидкости на основе кремнийорганических полимеров);
3) фосфаты (жидкости на основе сложных эфиров фосфорной кислоты);
5) фтор - и хлорорганические (галогеноуглеводородные).
Жидкости на основе диэфиров применяются в гидросистемах с особо высокими нагрузками на элементы в диапазоне рабочих температур от -30 до +180 при условии тщательной проверки их совместимости с материалами гидросистемы. В среде диэфиров плохо работают рукава и уплотнения из нитрильных каучуков, электроизоляционные материалы, металлы, содержащие свинец, кадмиевые и цинковые покрытия.
Силоксаны и полисилоксаны имеют наиболее пологую вязкостно-температурную характеристику из всех рабочих жидкостей. Они отличаются большой сжимаемостью, зато имеют минимальное поверхностное натяжение. Последнее позволяет применять их в качестве противопенных присадок. Эти жидкости стойки к окислению и воздействию температур до 190С, однако, при длительном воздействии температуры 200С, они разлагаются с образованием кремнезема, который является абразивом. Смазывающая способность группы 2 плохая, особенно по стали, поэтому силоксаны применяют только в смеси с диэфирами или нефтяными маслами.
Фосфаты имеют повышенную огнестойкость и хорошую смазывающую способность. Однако вязкостно-температурная характеристика у них хуже, чем у масел. Фосфаты склонны к гидролизу, поэтому их не стоит применять в гидросистемах с возможным обводнением. Многие фосфаты токсичны. Кроме того, у них повышенная склонность к пенообразованию, а также несовместимость с обычными материалами уплотнений и худшая, чем у масел, радиационная стойкость. При гидролизе фосфаты образуют фосфорнокислые соединения, способные реагировать со стеклообразными материалами, эмалями и металлами.
Водосодержащие жидкости группы 4 не воспламеняются при распылении их на пламя или на поверхность с температурой до 700. Другие жидкости обладают повышенной огнестойкостью, но являются горючими, т. е. могут воспламеняться при попадании на огонь или раскаленные предметы. Полнойнегорючестью обладают только фторорганические жидкости, они же химически инертны, обладают термической стабильностью.
Водно-гликолевые жидкости токсичны, поэтому чаще используют водно-глицериновые жидкости с присадками. Жидкости группы 4 обладают удовлетворительными вязкостно-температурными характеристиками, смазывающими и антикоррозионными свойствами.
Большим преимуществом водосодержащих жидкостей является их совместимость с материалами уплотнений на основе нитрильных каучуков. Кроме того, у них малая сжимаемость и самая большая теплоемкость. К недостаткам группы 4 можно отнести их электропроводность и возможную несовместимость с лакокрасочными покрытиями.
Водосодержащие жидкости негорючи до тех пор, пока воды в них содержится не менее 30% по массе, поэтому их применяют вгерметизированных гидросистемах, обеспечивающих отсутствие потерь на испарение воды. Вследствие низкой температуры кипения воды давление насыщенных паров группы 4 высокое. Поэтому рекомендуется применять водосодержащие жидкости в диапазоне рабочих температур от 65 до 70. При испарении воды возможно загорание глицерина или гликоля. В отечественной практике водно-гликолевые жидкости применяют только для систем охлаждения (антифризы,тосолы). Водно-глицериновую жидкость ПГВ применяют для гидросистем мобильных объектов и судовых гидроприводов в диапазоне рабочих температур от -30 до 65…70. Она имеет характерный синий цвет. Результаты длительной эксплуатации ПГВ в гидроприводах без замены материалов были положительными. Однако предварительно необходим тщательный анализ совместимости ПГВ с материалами гидросистемы, особенно с лакокрасочными и гальваническими покрытиями. Потери воды на испарение (для относительно герметичных гидросистем 3…4% в год) восполняют добавкой дистиллированной или мягкой воды. При добавлении жесткой воды, а также при попадании в жидкость ПГВ смазочных материалов и масел возможно выделение осадков.
Для гидросистем промышленного назначения, эксплуатируемых в условиях возможной пожарной опасности, применяются водно-глицериновые жидкости промгидрол (марки П20, П20М1, М20М2, цвет - светло-желтый).Промгидрол отличается от жидкости ПГВ большим содержанием загущающей присадки. Температура самовоспламенения промгидрола 420, что позволило применять его в гидросистеме доменной печи.
Фторорганические жидкости по химическому составу подразделяют на три основные группы:
Фторхлоруглеродные - низкомолекулярные полимеры трихлорфторэтилена (в отечественной практике марки 11Ф, 12Ф, 13Ф, 14Ф; в США - кельэф, флуоролюб);
Перфторуглероды, полученные фторированием нефтяных масел;
Итак, минеральные масла имеют ограниченный температурный диапазон применения. Кроме того, они пожароопасны. Эти недостатки в меньшей степени проявляются у синтетических рабочих жидкостей. Они имеют более пологую вязкостно-температурную характеристику, обладают большей огнестойкостью. К недостаткам синтетических жидкостей относятся высокая стоимость, плохие смазывающие свойства и необходимость перехода на специальные материалы для уплотнений.
Еще один вид рабочих жидкостей - водосодержащие эмульсии. Они имеют низкую стоимость, малую сжимаемость, более высокую теплоемкость и пожаростойкость. В гидроприводах кузнечно-прессовых машин используются эмульсии «масло в воде», которые состоят из 2…5% эмульсола, содержащего минеральное масло и 95…98% воды. Эмульсол находится в воде в дисперсной фазе. Недостатками таких жидкостей являются низкая смазывающая способность, высокая коррозионная активность и невозможность использования при отрицательных температурах. Более перспективна эмульсия «вода в масле», содержание воды в которой около 40%. Она сочетает положительные свойства эмульсий «масло в воде» и минеральных масел. Однако пока водосодержащие рабочие жидкости широкого распространения не получили, так как переход на них приводит к увеличению примерно в 1,5 - 5 раз стоимости отдельных гидроустройств и увеличению потребляемой насосами мощности примерно в 1,5 раза. В настоящее время они применяются в таких гидросистемах, для которых вопросы пожаробезопасности особо важны, например, в шахтном и металлургическом оборудовании .
В последние годы ведутся интенсивные работы по использованию в гидроприводах экологически чистых рабочих жидкостей и, в первую очередь, растительного происхождения. Наиболее известно в этом плане рапсовое масло, которое по своим трибологическим характеристикам не только не уступает, но по некоторым параметрам, например, износу трущихся поверхностей, превосходит рабочие жидкости на нефтяной основе. Для борьбы со старением растительных масел к ним добавляют специальные противоокислительные присадки. Вязкость растительных масел в значительно меньшей степени зависит от температуры, чем минеральных. Но для растительных масел недопустимо попадание воды, которая приводит их к распаду.
С экологической точки зрения также представляет интерес применение в качестве рабочей жидкости чистой воды. Несмотря на понятные недостатки воды для работы гидромашин и гидроустройств, которые при определенных затратах могут быть скомпенсированы конструктивными мероприятиями и выбором соответствующих материалов, положительные качества делают ее удобной рабочей жидкостью. Значительно уменьшаются гидравлические потери, появляется возможность во многих случаях отказаться от систем охлаждения рабочей жидкости. Меньший коэффициент объемного сжатия способствует повышению жесткости гидропривода. Фирмой Danfoss (Дания) разработана гидросистема «Несси», способная работать на чистой воде .
В монтаже и обслуживании технических механизмов наибольшее внимание уделяется функциональным элементам, вспомогательной оснастке и различным системам фиксации и поддержки. Но при этом качество работы оборудования во многом зависит и от Они выполняют разные функции, но все из них в конечном итоге сводятся к одной задаче - продлению эксплуатационного ресурса обслуживаемого объекта. Особое место в этой группе занимает гидравлическая жидкость, которая также выступает функциональным компонентом, оказывая давление на рабочие элементы механизма.
Где применяются гидравлические жидкости?
Масла такого типа используются в разных технических устройствах и механизмах. Классический пример их применения - трубопроводная запорная арматура. Сами по себе гидравлические устройства широко используются в разных сферах промышленности, производства и строительства. Это могут быть и пресс-станки, агрегаты в составе фабричных линий, обрабатывающие гидросистемы и т. д. Важно отметить, что гидравлическая жидкость может использоваться и в бытовом оборудовании. Некоторые модели пневматических станций, насосного оборудования и силовые агрегаты могут также применять такие жидкости. Причем функции у масла данного типа тоже бывают разными - их стоит рассмотреть подробнее.
Функции жидкости
Главная задача гидравлической жидкости заключается в трансляции давления на рабочий компонент системы. Это может быть поршень или клапан, главное, что объем масла выступает динамичным передатчиком усилия и вместе с этим выполняет целый ряд вспомогательных функций. Например, как уже отмечалось, техническое масло обеспечивает смазку трущихся элементов рабочей системы, продлевая их ресурс. В зависимости от условий эксплуатации может потребоваться и выполнение специальных задач.
К примеру, если установку планируется эксплуатировать в среде, подверженной термическим воздействиям или тесному контакту с влажностью, то производится замена гидравлической жидкости на состав с подходящими защитными качествами. В данном случае технолог будет рекомендовать масло с антикоррозийными свойствами и термической стойкостью. Вместе с этим по умолчанию каждый состав гидравлической жидкости предусматривает выполнение очистки. Регулярному промыванию подвергаются трубопроводы, в результате чего их внутренние поверхности избавляются от осадков и других разрушающих веществ.
Свойства масел для гидравлических систем
Качество выполнения вышеупомянутых функций определяется свойствами конкретного состава. К базовым эксплуатационным качествам гидравлических жидкостей относят стойкость к термическим воздействиям, вязкость, инертность и плотность. Но все большее значение имеют и специальные рабочие качества, в том числе и защитные. Например, антикоррозийность позволяет противостоять жидкости и влажной среде без негативных процессов ржавления. Немаловажно и жидкости, которое определяет интенсивность рабочей функции состава. То есть чем меньше показатель сопротивляемости, тем легче передается усилие от силового агрегата. В итоге затрачивается меньше энергоресурсов на обеспечение функционирования установки. Другое дело, что достижение оптимальных показателей сопротивляемости редко выполняется без потерь в других технико-физических качествах гидравлических масел.
Классификации гидравлических жидкостей
Специалисты классифицируют такие жидкости по нескольким признакам. Например, основное разделение проводится по признаку назначения - отдельное место в ассортиментах занимают гидростатические и гидродинамические составы. Также выделяются жидкости в зависимости от сферы применения. В частности, смазочные составы с маркировкой ISO 15380 обеспечивают быстрые процессы биоразложения. Существуют и модификации, отличающиеся повышенной экологичностью. Их чаще используют в агрегатах пищевой промышленности. Распространена и гидравлическая жидкость с маркировкой STOU. Ее обычно задействуют в обслуживании мобильных систем. При этом пользуется спросом широкая группа вспомогательных жидкостей, которые не работают в основной части гидравлического поршневого механизма, но применяются в технической поддержке отдельных компонентов, например муфт, подшипниковых групп и конвертеров.
Разновидности жидкости по признаку рабочих качеств
В этой классификации уместно рассмотреть три основные группы Первую представляют основные составы, отличающиеся сбалансированными показателями вязкости, сжимаемости и давления. Можно сказать, это и есть типовые универсальные средства обеспечения жидкостной гидравлической функции. Вторая группа охватывает средства, отличающиеся стойкостью к процессам окисления. Сюда можно отнести и термически стойкие виды гидравлических жидкостей, которые способны циркулировать под высоким давлением, контактируя с металлическими поверхностями, водой и воздухом. Третья группа предусматривает более совершенное исполнение термозащитной функции. Это составы, которые не подвержены угрозам возгорания даже при тесных контактах с источниками огня.
Составы жидкости для гидравлики
Выходной продукт обычно представляет собой концентраты, базирующиеся на технических маслах и присадках. Классическим примером является средство, изготовленное с применением минерального масла и эмульгаторов, а также разбавленное антикоррозийными ингибиторами. Собственно, такая комбинация сама по себе может выступать базой для приготовления более технологичных модификаций, которые также могут совмещаться с огромным спектром эластомеров. Например, чтобы повысить гидравлическое производители вводят в составы уплотнители. И напротив, если нужно добиться более высокой степени эластичности рабочего компонента, добавляются эмульсионные смазывающие масла.
Базовая основа
В качестве базового минерального масла могут использоваться парафиновые составы, нафтеновые смеси и различные комбинированные растворы. Выделяются и особые модификации с улучшенными основными рабочими качествами. Это синтетические жидкости, в изготовлении которых используются компоненты гидрокрекинга, эфирные составы и полигликоли, которые чаще всего применяются для огнестойких смесей. Находят свое применение и натуральные базовые основы, из которых производятся биоразлагаемые гидравлические масла. Жидкости такого типа могут иметь в составе растительные продукты переработки, которые отличаются экологической чистотой.
Независимо от типа базовых масел, имеет значение и качество их очистки. Существуют разные категории, отличающиеся степенью предварительной подготовки состава. Есть смеси грубой очистки, а встречаются и масла, прошедшие многократную фильтрацию. Нельзя сказать, что второй вариант будет наилучшим во всех случаях использования. В некоторых сферах оптимально себя проявляются именно жидкости, в основе которых заложена грубая элементная комбинация.
Присадки и модификаторы жидкости
Нередко определяющую роль в эксплуатационных способностях играют именно дополнительные компоненты. Они бывают взаимоисключающими или дополняющими друг друга, поэтому получить полностью универсальное средство, пригодное для любых нужд, невозможно. В разной степени базовой основе можно придать такие свойства, как антикоррозийность, устойчивость к старению, противозадирные и противоизносные качества.
При этом разделяются присадки по характеру применения. Существуют компоненты, которые вносят как дополнение к минеральному базовому маслу, а есть и поверхностно-активные вещества. Например, гидравлическая получается в результате включения поверхностных модификаторов трения, которые могут вноситься в состав уже в процессе эксплуатации механизма.
Базовые же обычно включают в заводских условиях. К этой категории можно отнести антивспенивающие элементы, антиоксиданты и т. д. Активные присадки на этом фоне будут выгодны тем, что не потребуют специальной обработки жидкости после добавления.
Как выбрать гидравлическую жидкость?
В большой степени выбор того или иного состава определяется условиями эксплуатации. В частности, следует учитывать спектр рабочих температур, тип гидравлической системы, давление, требования к экологической безопасности и внешние воздействия. Отдельное внимание желательно уделить показателю вязкости. Если стоит задача снижения утечек и повышения герметизации, то следует предпочесть смеси с минимальным уровнем вязкости. Также в отдельном порядке учитывается и температура рабочей среды. Решая, какую гидравлическую жидкость выбрать для стационарной системы, можно отдать предпочтение составам, рассчитанным на режим 40-50 °С. Для мобильных и динамических систем часто подбираются узкоспециализированные жидкостные средства.
Как заменить гидравлическую жидкость?
В первую очередь необходимо открыть доступ к резервуару хранения жидкости, как правило, это специальные металлические бачки. Далее освобождается место для проведения работ с коммуникационной инфраструктурой. Обычно подводящие шланги снабжаются хомутами, которые следует разжать. Это позволит проверить уровень гидравлической жидкости, ее давление и общее состояние. Далее производится откачка масла. Эту операцию можно выполнять при помощи шприцов или насосов с компрессорами, в зависимости от конструкционной возможности.
Затем можно приступать к заливке новой смеси. Данная операция также выполняется с помощью подручного инструмента или напрямую при возможности отсоединения шланга подводки. Правильная замена гидравлической жидкости также выполняется с откачкой воздуха. Излишнее завоздушивание может привести к потерям в показателях эффективности агрегата, поэтому без удаления лишних газовых смесей не обойтись.
Заключение
Гидравлические механизмы часто выполняют ответственные задачи, требующие подключения высоких мощностей. В свою очередь, гидравлическая жидкость выступает полноценным функциональным компонентом таких систем, обеспечивая стабильную работу агрегатов. При условии правильного выбора данного масла обслуживающий персонал сможет не только продлить срок службы эксплуатируемой установки, станка или инструмента, но и повысить энергоэффективность оборудования. Связано это с тем, что те же показатели сопротивляемости рабочей жидкости могут повысить или смягчить нагрузку на приводной механизм, что напрямую отразится на объеме потребляемого ресурса.
Рабочим телом в гидравлической передаче является жидкость, свойства которой определяют рабочий процесс передачи гидравлической энергии. Физические свойства рабочей жидкости характеризуются удельным весом, сжимаемостью, вязкостью. Кроме этих параметров для оценки жидкости как рабочего тела в гидропередачах необходимо учитывать ее стойкость к механическим воздействиям, химическую стойкость при высоких и низких температурах рабочего диапазона гидросистемы, смазывающие качества и стабильность смазывающих свойств, степень агрессивности к металлам и уплотнительным элементам конструкции, уровни пожроопастности и токсичности при воздействии на человека (самой жидкости и ее паров).
Рассмотрим свойства двух наиболее распространенных рабочих жидкостей: масла - АМГ-10 и жидкости 7-50С-3, применяемых в современных гидросистемах самолетов. Их плотности р (удельные веса γ) равны соответственно 833 кг/м 3 (8163,94 Н/м 3) и 921 кг/м 3 (9031,92 Н/м 3). Для сравнения плотность (удельный вес) воды составляет 999 кг/м 3 (9796,84 Н/м 3).
При нагреве гидравлическая жидкость расширяется, как и все жидкости, изменяя удельный вес и плотность. Уравнение Менделеева устанавливает связь между изменением температуры и массой единицы объема жидкости
,
где- искомый удельный вес при заданной температуре t , - удельный вес при t = 15°С; - коэффициент объемного расширения (для гидрожидкостей = 0,0007).
Рис.10.1.Зависимости плотности рабочих жидкостей от температуры.
По графикам изменения плотностей масла АМГ-10 и рабочей жидкости 7-50С-3 в зависимости температуры (рис.10.1) можно определить увеличение объёма залитой в гидросистему жидкости и оценить изменение уровня жидкости в баке при нагреве. Расширение жидкости при нагреве необходимо учитывать в бaкe, когда она заперта в цилиндре гидравлическим краном, так как давление в замкнутой системе может превысить допустимые напряжения в трубопроводах и цилиндре и привести к их разрушению. Плотность гидрожидкости изменяется приблизительно на 7 % при изменении температуры на 100 °С.
Сжимаемость жидкости определяется объемным модулем упругости Е, который для гидрожидкостей находится в пределах от 1350 – 1750 МПа. Для воды при относительно небольших давлениях модуль упругости принят равным 1962 МПа. Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициентом относительного сжатия β
где V- объем жидкости; - изменение объема при изменении давления р.
Следовательно, коэффициент = 1/Е.
Для принятых давлений в гидросистемах можно считать = 0,00007. Это означает, что при изменении давления на 10 5 Па(примерно 1ат) относительное изменение объема V/V= 0,00007. Поэтому во многих расчетах сжимаемостью жидкости можно пренебречь в виду ее малого значения.
Одно из важнейших свойств жидкости называется вязкостью. Вязкость - это способность жидкости сопротивляться скольжению ее слоев друг относительно друга при движении.
Сила трения, которая приходится на единицу поверхности соприкосновения двух скользящих слоев жидкости, при условии, что градиент скорости по нормали равен единице, называется коэффициентом динамической вязкости μ.
Отношение коэффициента динамической вязкости μ к плотности ρ называется коэффициентом кинематической вязкости ν . Величины ν, μ и ρ связаны между собой соотношением ν = μ/ρ .
Вязкость жидкости обусловлена силами молекулярного сцепления, которые с увеличением температуры уменьшаются, уменьшается при этом и вязкость (табл. 10.1).
Физико-механические, смазывающие и другие свойства минеральных масел и их смесей, применяемых в гидросистемах, ухудшаются в процессе эксплуатации вследствие их окисления при контакте с воздухом, эмульсирования и вспенивания при попадании в них воздуха и влаги. Это ухудшение свойств рабочих жидкостей проявляется в уменьшении их вязкости, загрязнении отложениями в виде смол, частичками металла, пыли и т.д. При этом наиболее эффективным способом продления эксплуатационных качеств жидкости является ее непрерывная и тщательная фильтрация с помощью периодически сменяемых фильтров очистки.
Кроме того, гидравлические жидкости растворяют газы, которые в дисперсном состоянии практически не оказывают механического воздействия на работу гидросистемы. Однако при уменьшении давления в какой-либо зоне растворенные газы выделяются в виде мелких пузырьков, объединяясь в более крупные и образуя газовые полости, которые ухудшают механические свойства гидросистемы. Разные газы обладают различной растворимостью в жидкостях, применяемых в гидросистемах. Так, растворимость воздуха составляет около 11 % от объема жидкости; азота - 13%; диоксида углерода(выхлопные газы) - 85 %.
Засорение жидкости воздухом ухудшает условия работы насосов и всей гидросистемы в целом, нарушает плавность движения гидроприводов, ухудшает смазку и вызывает коррозию деталей гидроагрегатов.
В дополнение к изложенным свойствам масла АМГ-10 и гидрожидкости 7-50С-3 приведем для них следующие технические данные. Масло АМГ-10 готовят загущением маловязкой нефтяной фракции. Оно содержит антиокислительную присадку; оно некоррозионно и нетоксично. Работоспособно масло при температуре от -60 до 125 °С в контакте с воздухом или азотом и кратковременно до 150°С только в контакте с техническим азотом. В качестве уплотнителей при работе с маслом используются резины из нитрильного каучука марок В-14, ИРП-1078, ИРП-1353. Жидкость АМГ-10 - однородная, прозрачная, красного цвета.
Рабочая жидкость 7-50С-3 представляет собой смесь синтетических продуктов - поликсилоксанов и органических эфиров. Содержит антиокислительную и противокоррозионную присадки. Она р аботает в диапазоне температур от -60 до 175°С в контакте с воздухом и техническим азотом и кратковременно до 200 °С в контакте с азотом. Жидкость малотоксична, имеет повышенное воздействие на медь, кадмиевые и фосфатные покрытия. Применяется с уплотнительной резиной марки ИРП-1353 и фторкаучуком ИРП-1287. Жидкость 7-50С-3 - прозрачная, цвет не регламентируется.
2.РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ ГИДРОПРИВОДОВ
2.1. Назначение рабочих жидкостей и основные требования, предъявляемые к ним
Жидкость, используемая в гидроприводах, является их рабочим телом. Вследствие этого она и называется рабочей. Рабочая жидкость обеспечивает передачу энергии от насоса к гидродвигателю и управляющих сигналов в гилросистеме. Кроме того, она обеспечивает смазку трущихся поверхностей гидравлических устройств, удаление из пар трения продуктов износа, защиту металлических деталей от коррозии и отвод выделяемого в гидроприводе тепла.
Рабочие жидкости подвержены воздействию изменяющихся в широком диапазоне давлений, температур и скоростей. Правильный выбор рабочей жидкости обеспечивает работоспособность гидропривода и в значительной степени определяет его рабочие параметры.
К рабочей жидкости предъявляются следующие требования.
1. Хорошая смазывающая способность, обеспечивающая надежную работу пар трения.
2. Возможно малое изменение вязкости в широком диапазоне температуру, что определяет и малую изменяемость характеристик гидроустройств и гидропривода в целом.
3. Высокая пожаростойкость.
4. Стабильность механических и химических свойств в условиях длительной эксплуатации и хранения. Под стабильностью механических свойств понимают в первую очередь способность жидкости противостоять процессу «мятия», которым называют процесс деструкции молекул при ее длительном дросселировании в узких щелях, перемешивании жидкости и воздействии вибраций, что приводит к уменьшению вязкости. Под стабильностью химических свойств понимают способность противостоять окислению под действием окружающей среды и реакции гидролиза из-за присутствия в жидкости воды, а также химической реакции жидкости с материалами стенок гидроустройств и уплотнений.
5. Малая токсичность рабочей жидкости и ее паров.
6. Высокая объемная упругость.
7. Высокая теплопроводность.
8. Малый коэффициент теплового расширения.
9. Радиационная стойкость.
10. Сопротивляемость к вспениванию.
11. Малая растворимость газов, обеспечивающая высокую упругость жидкости.
12. Низкая стоимость.
Перечисленные требования во многом трудно совместимы. Поэтому выбор рабочей жидкости представляет собой определенную сложность.
2.2. Основные физические свойства рабочих жидкостей
Из многочисленных свойств жидкостей остановимся только на тех, которые наиболее важны с точки зрения эксплуатации гидроприводов, определяют их рабочие параметры и которые необходимо учитывать разработчику. Эти свойства определяются перечисленными выше требованиями.
Плотность, , характеризуется отношением массыm к её объему
Для практических расчетов плотность минеральных рабочих жидкостей может быть принята .
Плотность рабочей жидкости характеризует потери давления при ее течении через дроссели, клапаны и гидролинии. Так при турбулентном режиме течения
где Q – расход жидкости; потери давления;коэффициент расхода щели площадью. С ростом температуры плотность уменьшается
, (2.2)
где соответственно плотности при температурах,коэффициент объемного расширения. Для минеральных рабочих жидкостейпри
Это свойство необходимо учитывать при проектировании гидропривода с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости. В таком приводе при увеличении температуры происходит увеличение объема и повышения давления, которое может привести к разрушению гидросистемы. Чтобы избежать этого, к гидробаку присоединяют термокомпенсатор, например сильфонного типа. Изменение его объема должно быть достаточным для компенсации теплового расширения рабочей жидкости во всей гидросистеме.
Вязкость – свойство жидкости оказывать сопротивление относительному смещению ее слоев. Это свойство является важнейшим для работы гидропривода.
Влияние вязкости неоднозначно. С одной стороны большая вязкость повышает надежность смазки трущихся поверхностей. Уменьшает у течки в гидроустройствах и способствует повышению устойчивости гидропривода. С другой стороны – увеличивает потери на трение, увеличивает гидравлическое сопротивление в гидролиниях и уменьшает быстродействие привода.
Вязкость жидкости характеризуется коэффициентами динамической и кинематической вязкости. Коэффициент динамической вязкости, Па, определяется из уравнения, выражающего закон жидкостного трения Ньютона:
где Т – сила, возникающая между движущимися слоями жидкости; S – площадь соприкосновения поверхностей слоев; – градиент скорости.
Коэффициент кинематической вязкости , определяется соотношением
Он измеряется и в стоксах (Ст)
1 Ст=100 сСт=1
Ввиду того, что непосредственно измерить вязкость в движущейся жидкости сложно, определяют определяют условную вязкость с помощью специальных приборов, называемыми вискозиметрами. Наибольшее применение нашел вискозиметр Энглера, измеряющий вязкость как отношение времени истечения 200 жидкости через отверстие диаметром 2.8 мм под действием собственного веса к времени истечения такого же объема дистиллированнной воды при температуре 4С. Единица вязкости, определенной таким способом называется градусом вязкости условной). В некоторых странах эта единица называется градусом Энглера ().
Перевод в сСт привыполняют по формуле
Вязкость рабочей жидкости существенно зависит от ее температуры. Для минеральных масел это влияние может быть определено эмпирической зависимостью.
где вязкость при температуре 50С;температура. Эта зависимость справедлива в интервале температур 30С150. Для масел св интервале=1050cCт .
Зависимость вязкости от давления p может быть представлена в следующем виде:
где коэффициент динамической вязкости приp =0 ; пьезокоэффициент вязкости.Выражение справедливо при .Наличие в рабочей жидкости воздуха приводит к некоторому снижению вязкости.
1+0.015В, (2.8)
где вязкость чистой жидкости;вязкость рабочей жидкости, совершающей Ввоздуха от общего объема.
Сжимаемость – свойство жидкости изменять свой объем под действием давления. Сжимаемость рабочей жидкости должна быть минимальной, так как ее наличие приводит к снижению подачи насосов, нарушает плавность движения перемещаемых гидроприводом узлов машин, уменьшает реализации перемещений, снижает устойчивость гидропривода.
Сжимаемость, , характеризуется коэффициентом объемного сжатия
, (2.9) где относительное изменение объема при изменении давления на
Величина обратная ,называется модулем объемной упругости жидкости, Па:
Для минеральных масел модуль упругости лежит в пределах Мпа. Трубопроводы особенно шланги уменьшают «приведенный» модуль упругости.
Процесс сжатия рабочей жидкости может проходить с различной скоростью. Сжатие при медленно протекающих процессах, при которых успевает завершиться теплообмен с окружающей средой, характеризуется изотермическим модулем упругости . Сжатие при быстро протекающих процессах, при которых теплообмен не успевает завершиться, характеризуется адиабатическим модулем упругости. Экспериментальный метод определения этого модуля основан на замере скорости распространения звуковых волн в жидкости
где скорость звука в жидкости.
Установлено, что при расчете быстропротекающих процессов в гидроприводе можно принимать . Модуль объемной упругости зависит от давления и температуры. Упругость увеличивается с повышением давления и уменьшается с ростом температуры
где модуль объемной упругости без наличия в жидкости газовой среды приС,.
Большое влияние на сжимаемость рабочей жидкости оказывает наличие в ней нерастворенного воздуха в виде мелких пузырьков. Сжимаемость в этом случае во много раз выше сжимаемости чистой жидкости. Рассмотрим это влияние в условиях изотермического процесса сжатия. Нерастворенный воздух в объеме образует с объемом чистой жидкостидвухфазную смесь.
Продифференцировав (2.12) по давлению и предположив, что закон сжатия смеси имеет тот же характер, что и для чистой жидкости, а закон сжатия воздуха подчиняется закону Бойля-Мариоттаимеем
, (2.13)
где модули объемной смеси и чистой жидкости;объем давления. При изотермическом процессе сжатияn=1. Из (2.13) и (2.12) получим
(2.14)
Разделив правую часть (2.14) на начальный объем жидкости в смеси положиви подставив, имеем
. (2.15)
В реальных системах содержание воздуха может меняться в широких пределах (). Зависимость модуля объемной упругости от давления рабочей жидкости при различном содержании воздуха представлена на рис
Как видно из рисунка, влияние давления проявляется в большей степени при малых его значениях. Для устранения этой зоны в сливных гидролиниях гидрипроводов должны быть установлены напорные клапаны, создающие подпор порядка 0,5-1 МПА. Благодаря этому уменьшается сжимаемость рабочей жидкости в сливных полостях гидродвигателей и повышается плавность движения рабочих органов машин, особенно при использовании гидроцилиндров. При давлении более 15 МПа влияние воздуха на сжимаемость практически не сказывается, так как оно переходит в растворенное состояние. Это обстоятельство также обусловливает полезность перехода на более высокие давления рабочей жидкости в напорных гидролиниях приводов. Для снижения количества нерастворенного воздуха необходимо знать основные пути его проникновения в гидросистему. Наиболее интенсивно подсос воздуха происходит на линии всасывания через неплотности в местах крепления фланцев насоса и приемных фильтров, через уплотнения валов и т.п. Подсос воздуха происходит также при понижении уровня жидкости в гидробаке по отношению к всасывающему патрубку. Нерастворенный воздух может образовываться из растворенного на участках с пониженным давлением. При этом обратный процесс протекает значительно медленнее.
Измерение количества нерастворенного воздуха проводится либо путем измерения объемов жидкости до и после его отделения, либо путем измерения некоторых свойств рабочей жидкости (плотности, модуля упругости и т.п.), зависящих от его количества.
Количество воздуха в гидросистеме может быть понижено путем применения эластичных диафрагм, исключающих контакт с жидкостью в гидробаках или путем создания подпора во всасывающей гидролинии. Удаление воздуха в тупиковых гидросистемах и в верхних точках гидроустройств проводят с помощью воздухоспускных пробок (сапунов) или клапанов.
Теплове свойства. Наибольший интерес представляют удельная теплоемкость и теплопроводность. Удельная теплоемкость характеризует интенсивность повышения температуры рабочей жидкости в гидросистеме. По сравнению с водой удельная теплоемкость минеральных масел вдвое меньше. Теплопроводность характеризует количество теплоты, переданное за единицу времени через единицу поверхности при разности температур между жидкостью и стенкой в один градус. Для лучшего отвода тепла рабочие жидкости должны иметь высокие тепловые свойства.
Температурный диапазон использования рабочих жидкостей связан с температурами вспышки и застывания. Температура вспышки есть температура, при которой пары жидкости образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении открытого пламени. Температура вспышки позволяет судить о пожарной безопасности гидросистем. Температура застывания – температура, при которой рабочая жидкость загустевает настолько, что при наклоне пробирки на 45ее уровень в течение 1 мин остается неизменным. Для наиболее распространенных индустриальных масел температура вспышки составляет 160 – 200С, а температура застывания – 30 – 15С.
Электрические свойства имеют значение для рабочих жидкостей, применяемых в электрогидравлических устройствах гидроприводов. Чтобы избежать замыкания электрических цепей, нарушения изоляции или искрения в результате возможного попадания рабочей жидкости, ее электрическая проводимость должна быть минимальной.
2.3. Характеристика рабочих жидкостей
Основным видом рабочих жидкостей, получивших наибольшее применение, являются минеральные масла. В гидроприводах общепромышленного назначения, работающих в отапливаемых помещениях при температуре воздуха от 0 до +35С применяются индустриальные масла И12А, И20А, И30А, И40А, И50А. Цифра в обозначении масла указывает на его вязкость в сантистоксах приt = 50С. Индустриальные масла самые дешевые, нетоксичны, так как не содержат присадок. Однако, с другой стороны, они имеют повышенную склонность к окислению и выделению смол, в силу чего срок их службы сильно ограничен. Индустриальные масла применяют в гидросистема, работающих при температуре жидкости не выше 60С.
В гидроприводах, работающих при температуре свыше 60С, применяются турбинные масла Тп-22, Тп-30, Тп-46, отличающиеся от индустриальных более высокими эксплуатационными свойствами (антиокислительная и смазывающая способности, противопенная стойкость, повшенный срок службы). Такие свойства обеспечиваются в введением различного вида присадок ()фенолов, жирных кислот, полисилоксанов и др.).
Гидроприводы, работающие при давлении 16-35 МПа, рекомендуется эксплуатировать на маслах серии ИГП, имеющих еще более высокие эксплуатационные свойства.
В гидроприводах, установленных на машинах, работающих в полевых условиях, применяются масла, имеющие меньшую зависимость вязкости от температуры. Среди них всесезонное масло МГЕ-10А, рассчитанное на эксплуатацию без замены в течение 10-ти лет при температуре окружающей среды от – 55 до +55С. Масло ВМГЗ является основным видом рабочей жидкости для гидроприводов строительно - дорожных машин, работающих в условиях Крайнего севера, а также используется как зимний сорт в районах умеренного климата. Масло МГ-30 используется в анологичных приводах в качестве летнего масла.
В авиационных гидросистемах дозвуковых самолетов применяется авиационное масло АМГ-10, которое легко отличить по красному цвету.
Минеральные масла имеют ограниченный температурный диапазон применения. Верхний предел обычно не превышает 80-90С. Кроме того, они пожароопасны. Эти недостатки в меньшей степени проявляются у синтетических рабочих жидкостей. Они имеют более пологую вязкостную характеристику, обладают большей огнестойкостью. К ним относятся диэфиры, фосфаты, силоксаны, водно-гликолевые и водно-глицериновые жидкости. Из этого класса рабочих жидкостей можно назвать жидкость 7-50С-3, применяемую в авиационных гидросистемах, работающих в диапазоне температур от -60до +175С. Недостатки синтетических жидкостей являются высокая стоимость, плохие смазывающие свойства и необходимость перехода на специальные материалы для уплотнений.
Другим видом рабочих жидкостей являются водосдерживающие эмульсии. Они имеют низкую стоимость, более высокую теплоемкость, пожаростойки. В гидроприводах кузнечно-прессовых машин используются имульсии «масло в воде», в которых 2-5% эмульсола, содержащего минеральное масло, и 95-98% воды. Эмульсол находится в воде в дисперсной фазе. Недостатками таких жидкостей являютс низкая смазывающая способность, высокая коррозионная активность и невозможность использования при отрицательных температурах. Более перспективна эмульсия «вода в масле», содержание воды в которой около 40%. Она сочетает положительные свойства эмульсий «масло в воде» и минеральных масел. Но пока широкого применения водосодержащие рабочие жидкости не получили, так как переход на них приводит к увеличению примерно в 1,5-5 раз стоимости отдельных гидроустрйств и увеличению потребляемой насосами мощности примерно в 1,5 раза. В настоящее время они применяются в гидросистемах, для которых вопросы пожаробезопастности особо важны, например в шахтном и металлургическом оборудовании.