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 [6] определяются перечисленными выше требованиями.

Плотность, , характеризуется отношением массы жидкости к ее объему

. (2.1)

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

,

где р_t, р_tо — соответственно плотности при температурах t и t_о, — коэффициент объемного расширения. Для минеральных рабочих жидкостей (7—8) 10⁴ при t- t_о=1°С. Это свойство необходимо учитывать при проектировании гидропривода с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости. В таком приводе при увеличении температуры происходит увеличение объема и повышение давления, которое может привести к разрушению гидросистемы. Чтобы избежать этого, к гидробаку присоединяют термокомпенсатор, например cильфонного 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 утечки 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^.с, определяется из уравнения, выра­жающего закон жидкостного трения Ньютона:

, (2.3)

где Т — сила, возникающая между движущимися слоями жидкости; S — площадь соприкосновения поверхностей слоев; — градиент скорости.

Коэффициент кинематической вязкости , м^2.с^-1, определяется соотношением

(2.4)

Он измеряется и в стоксах (Ст)

1 Ст=100 сСт=1 см²/с.

Ввиду того, что непосредственно измерить вязкость в движущейся жидкости сложно, определяют условную вязкость с помощью специальных приборов, называемых вискозиметрами. Наибольшее применение нашел вискозиметр Энглера [10], измеряющий вязкость как отношение времени истечения 200 см³ жидкости через отверстие диаметром 2,8 мм под действием собственного веса к времени истечения такого же объема дистиллированной воды при температуре 4 °С. Единица вязкости, определенной таким способом, называется градусом вязкости условной (°ВУ). В некоторых странах эта единица называется градусом Энглера (°Е).

Перевод °ВУ в сСТ при °ВУ>3,2 выполняют по формуле [7]

(2.5)

Вязкость рабочей жидкости существенно зависит от ее температуры. Для минеральных масел это влияние может, быть определено эмпирической зависимостью [10]

, (26)

где — вязкость при температуре 50 °С; t — температура. Эта зависимость справедлива в интервале температур 30<t°С<150. Для масел с , в интервале .

Зависимость вязкости от давления р может быть представлена в следующем виде [7]:

, (2.7)

где — коэффициент динамической вязкости при р=0; а= 0,15—0,17 МПа^-1 пьезокоэффициент вязкости. Выражение (7) справедливо при р<60 МПа.

Наличие в рабочей жидкости воздуха приводит к некоторому снижению вязкости [1]

(2.8)

где — вязкость чистой жидкости; — вязкость рабочей жидкости, содержащей В% воздуха 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 точность реализации перемещений, снижает устойчивость гидропривода.

Сжимаемость, Па^-1, характеризуется коэффициентом объемного сжатия

, (2.9).

где V/ V — относительное изменение объема при изменении давления на р.

Величина, обратная , называется модулем объемной упругости жидкости, Па:

,

Для минеральных масел модуль объемной упругости лежит в пределах . Трубопроводы и 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 Ет [7]. Сжатие при быстро протекающих процессах, при которых теплообмен не успевает завершиться, характеризуется адиабатическим модулем упругости Еa. Экспериментальный метод определения этого модуля основан на замере скорости распространения звуковых волн в жидкости

, (2.10)

где а — скорость звука в жидкости.

Установлено [2], что при расчете быстропротекающих процессов в гидроприводе можно принимать Еа ~ 1,15 Ет.

Модуль объемной упругости зависит от давления и температуры [7]. Упругость увеличивается с повышением давления и уменьшается с ростом температуры

, (2.11)

где Е₀ — модуль объемной упругости без наличия в жидкости газовой среды при t_о= 20⁰С, р = 0,1 МПа; k₁ = 11 —15, k₂ = 7—9,5 МПа/°С.

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 V_В образует с объемом чистой жидкости V_ж двухфазную смесь

. (2.12)

Продифференцировав (2.12) по давлению р и предположив, что закон сжатия смеси имеет тот же характер, что и для чистой жидкости, а закон сжатия воздуха подчиняется закону Бойля—Мариотта рVⁿ=сопst, имеем

, (2.13)

где Е_C, Е_Ж — модули объемной упругости смеси и чистой жидкости; V_В0 — объем воздуха в смеси при атмосферном давлении р₀. При изотермическом процессе сжатия n = 1.

Из (2.13) и (2.12) получим

(2.14).

Разделив правую часть (2.14) на начальный объем жидкости в смеси V_Ж0, положив V_Ж0 = Vж и подставив , имеем

(2.15)

В реальных системах содержание воздуха может меняться в широких пределах (Vво/Vжо = 0,015 — 0,025) [7]. Зависимость модуля объемной упругости от давления рабочей жидкости при различном содержании воздуха представлена на рис. 2.1. Как видно из рисунка, влияние давления проявляется в большей степени при малых его значениях. Для устранения этой зоны в сливных гидролиниях гидроприводов должны быть установлены напорные клапаны, создающие подпор порядка 0,5—1 МПa. Благодаря этому уменьшается сжимаемость рабочей жидкости в сливных полостях гидродвигателей и повышается плавность движения рабочих ор­ганов машин, особенно при использовании гидроцилиндров.

Рис. 2.1. Зависимость модуля объемной упругости реальной жидкости от давления

При давлении более 15 МПа влияние воздуха на сжимаемость практически не сказывается, так как он 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 воздуха 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.

Тепловые 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 [11] есть температура, при которой пары жидкости образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении открытого пламени. Температура вспышки позволяет судить о пожарной безопасности гидрссистем. Температура застывания — температура, при которой рабочая жидкость загустевает настолько, что при наклоне пробирки на 45° ее уровень в течение 1 мин остается неизменным. Для наиболее распространенных индустриальных масел температура вспышки составляет 160—200°С, а температура застывания — 30 — 15 °С.

Электрические свойства имеют значение для рабочих жидкостей, применяемых в электрогидравлических устройствах гидроприводов. Чтобы избежать замыкания электрических цепей, нарушения изоляции и искрения в результате возможного попадания рабочей жидкости, ее электрическая проводимость должна быть минимальной.