Основные физические свойства рабочих жидкостей

Основными свойствами жидкостей являются: плотность (r, кг/м³), удельный вес (g, Н/м³), сжимаемость (b_р, Па^-1), модуль упругости (Е, Па) и вязкость.

Плотность - это масса (М) единицы объема (V), она связана с удельным весом следующими зависимостями

r = М/V = G/gV = g/g; кг/м³, (2.1)

где G – вес жидкости, Н; g – ускорение силы тяжести (g=9,81 м/c²).

При проектировании гидросистем приходится считаться с зависимостью r и g от температуры (t)

(2.2)

где r₂₀ – плотность жидкости при 20⁰С, кг/м³; b_t – температурный коэффициент расширения, который можно принимать равным b_t=8,75 10^-4, ⁰С [8].

Сжимаемость жидкости характеризуется коэффициен­том объемного сжатия b или обратной величиной - объемным модулем упругости жидкости при всестороннем сжатии Е:

Е = 1/b, кг/см². (2.3)

Значение Е для минеральных масел, используемых в гидросистемах, при атмосферном давлении лежит в пределах 1,35-1,75GПа (13500—17500 кгс/см²). Такие относительно высо­кие значения Е в ряде практических задач позволяют пренебречь сжимаемостью жидкости. Однако в отдельных случаях упругость жидкости, деталей и особенно воздуха, который может попасть в привод, определяет режим его работы и может явиться причиной вибраций. Поэтому при проектировании гидравлических систем всегда нужно стремиться обеспечить минимальную упругость и предусматривать устройства для выпуска воздуха во всех местах его возможного скопления.

Модуль упругости воздуха Е_в приблизительно равен величине абсолютного давления.

Если в гидросистеме общим объемом V = 0,05 м³ воздух при атмосферном давлении занимает 20% объема, т.е. V_в = 0,01 м³, то при рабочем давлении r = 6,3 МПа (63 кгс/см²) объем воздуха V_в(63) составит:

(2.4)

Объем жидкости в системе при рабочем давлении r_р = 63 кгс/см² будет равен:

V_ж(63) = V - V_в(63) =0,05 - 0,000156= 0,0498 м³. (2.5)

Если объемный модуль упругости масла Е_ж = 14000 кг/см², а воздуха Е_в = r_р + 1 = 64 кг/см², то суммарный модуль упругости системы будет:

(2.6)

Этот пример показывает, что даже незначительное содержание воздуха в гидросистеме сильно увеличивает ее податливость, так как при отсутствии воздуха модуль упругости системы был бы равен модулю упругости жидкости (14000 кгс/см²), т.е. в 1,68 раза выше. Увеличение податливости системы отрицательно сказывается на быстродействии и жесткости привода и часто является причиной автоколебаний (вибраций).

Одним из наиболее важных свойств, характеризующих жидкость, является вязкость. Она обусловливается силами внутреннего трения, возникающего при взаимном скольжении слоев жидкости в процессе ее течения. Количественно вязкость оценивается по величинам коэффициентов вязкости - динамического или кинематического. Эти коэффициенты используются при расчетах потерь давления при протекании жидкости по трубопроводам и через местные сопротивления, а также позво­ляют оценивать применимость жидкости в конкретных условиях.

Вязкость жидкостей зависит от давления и особенно от температуры. При изменении последней от +50 до -50°С вязкость некоторых масел возрастает в сотни раз (см. например табл. 2.3).

При расчетах чаще пользуются кинематическим коэффициен­том вязкости n, который представляет собой отношение динамического коэффициента m к плотности жидкости r:

n = m/r, м²/с. (2.7)

В абсолютной системе единиц коэффициент n выражается в сантистоксах (сСт): 1сСт = 10^-6 м²/с.

Пересчет вязкости масел в зависимости от температуры (t, ⁰С) и давления (Р, МПа) можно выполнить по нижеприведенным формулам [11]:

n_t = n₅₀×e^-a(t-50), м²/с; (2.8)

n_р = n_а(1+к×Р), м²/с; (2.9)

где n₅₀, n_t – кинематические коэффициенты вязкости соответственно при 50⁰С и при t⁰C, м²/с; n_а, n_р - кинематические коэффициенты вязкости соответственно при атмосферном и рабочем давлении, м²/с; е – основание натурального логарифма; а – коэффициент, равный а = 0,025 – 0,035; к – коэффициент, зависящий от марки масла: при n₅₀ < 15×10^-6 м²/с к = 0,02; при n₅₀ > 15×10^-6 м²/с к = 0,03;Р – рабочее давление, МПа.

Вязкость измеряется вискозиметрами. Эти приборы обычно позволяют определять условную (или относительную) вязкость, выражаемую в (условных) градусах Энглера (°Е), хотя существуют вискозиметры, проградуированные в абсолютных единицах коэффициентов вязкости.

Условная вязкость в градусах Энглера представляет собой отношение времени истечения из вискозиметра 200 см³ испытуемой жидкости при температуре испытаний к времени истечения 200 см³ дистиллированной воды при 20°С. Для характеристики жидкостей обычно снимают показания вискозиметра при 20, 50 и 100°С и обозначают полученные величины соответственно ⁰Е₂₀, ⁰Е₅₀ и ⁰Е₁₀₀.

Динамический коэффициент вязкости ц для применяемых в гидросистемах масел может быть определен через условную вязкость в °Е по формуле:

(2.10)

Кинематический коэффициент вязкости и условная вязкость связаны соотношением:

(2.11)

Смешивая в определенных пропорциях несколько сортов масел, можно получать смеси, обладающие определенными свойствами, наиболее важными для данной гидросистемы.

Коэффициент условной вязкости смеси двух жидкостей

(2.12)

где а, b — процентное содержание компонентов в смеси, (а + b = 100%); ^oE₁, ^oE₂ - коэффициенты условной вязкости ком­понентов смеси; k - коэффициент, зависящий от а и b (табл. 2.1) [1, 21].

Таблица 2.1– Значения коэффициента k

Другими важными свойствами рабочих жидкостей являются: температурное расширение, теплоемкость, температура застывания, температура вспышки, смазывающие свойства, химическая и механическая стабильность, механические примеси, содержание воды, содержание газов, зольность, коксуемость и облитерация. Подробные сведения об этих и других свойствах можно найти в работах [2, 8, 1].