Физико-механические характеристики жидкостей

К основным физико-механическим характеристикам жидкости от­носятся: плотность, вязкость, сжимаемость, тепловое расширение, тепло­ёмкость, теплопроводность, температуры застывания и вспышки, смазы­вающие свойства.

Плотностью (кг/м ³) жидкости называется физическая величина, равная массе единицы её объёма, т.е. равная отношению:

,

где m   – масса жидкости, кг;

V     – объём жидкости, м ³.

В гидроприводе используют понятие «давление жидкости», которое характеризует интенсивность сил, действующих со стороны жидкости на поверхность сосуда. Давление р выражается в паскалях (Па). При повы­шении давления плотность жидкости увеличивается, при повышении температуры, как правило, уменьшается. Пример зависимости плотности от температуры для минерального масла МГЕ-10А приведён на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Зависимость плотности и модуля упругости от давле­ния и температуры для масла МГЕ-10А

Вязкость определяет свойство жидкости сопротивляться относительному перемещению её слоёв и проявляется в жидкости только при её течении. Различают динамическую (абсолютную), кинематическую и ус­ловную вязкости.

Динамическая вязкость обусловлена тем, что при течении жидкости вдоль твёрдой стенки скорости её слоёв в плоскости сечения, перпенди­кулярной направлению потока, различны из-за внутренних сил трения между этими слоями, которые согласно закону Ньютона определяются по формуле

,

где μ   – динамическая вязкость;

S   – площадь поверхности слоя жидко­сти;

d V / dy    – градиент скорости;

v    – скорость жидкости;

y  – расстоя­ние между слоями жидкости, измеренное перпендикулярно к направле­нию движения.

Отсюда следует, что динамическая вязкость (Па · c) представляет собой силу трения, отнесённую к единице площади и еди­нице градиента скорости.

Все жидкости, подчиняющиеся этому закону, называются ньюто­новскими в отличие от неньютоновских жидкостей, для которых каса­тельные напряжения не зависят от градиента скорости. Величина, обрат­ная динамической вязкости, называется текучестью жидкости:

.

Кинематическая вязкость (м ²/ с, мм ²/ с) определяется как отношение динамической вязкости к плотности:

.

Так как непосредственно (опытным путём) определить вязкость за­труднено, то в практике применяют понятие «условная вязкость», которая определяется как отношение времени истечения жидкости заданного объ­ёма при данной температуре к времени, за которое вытекает дистиллиро­ванная вода такого же объёма.

Хотя с увеличением давления кинематическая вязкость жидкости обычно растёт, но в расчётах при давлении до 20 МПа зависимость вязко­сти от давления можно не учитывать.

С увеличением температуры жидкости Т её кинематическая вяз­кость уменьшается:

,

где – вязкость жидкости при температуре +50°С, мм ² /с;

n   – показатель степени, зависящий от  (например, для v ₅₀ = 10 мм ²/ с n = 1,7; для v ₅₀ = 20 мм ²/ с n = 2,0).

Вязкость технических жидкостей на практике определяется вис­козиметрами.

Сжимаемость жидкости определяет её свойство изменять объём под действием давления. Она характеризуется модулем объёмной упруго­сти жидкости Е (Па):

,

где ∆ р – изменение давления, Па;

∆ V – изменение объёма, м ³;

V   – перво­начальный объём жидкости, м ³.

Для минеральных масел Е = 1350…1700 МПа, для силиконовых жидкостей Е = 1050 МПа, для воды Е = 2000 МПа, т.е. в 100 раз по сравне­нию с водой меньше, чем для стали (2 · 10⁵ МПа). Модуль возрастает с увеличением давления и понижением температуры. Зависимость величины модуля упругости рабочей жидкости от температуры для масла МГЕ-1ОА, типичная для минеральных масел, приведена на рис. 1.1.

При рассмотрении динамических процессов в гидросистемах с по­вышенным давлением (более 30 МПа) и при учёте точности их работы сжимаемость рабочих жидкостей необходимо учитывать. В остальных случаях сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают.

В гидросистемах рабочая жидкость не является однородной. В ней находится воздух как в растворённом, так и в нерастворённом состояни­ях. Наличие нерастворённого воздуха (обычно 5…15%) влияет на упругие свойства масла, понижая модуль упругости и снижая быстродействие гидросистем.

Тепловое расширение жидкости характеризует её свойство изме­нять объём с повышением температуры. Количественно это определяется температурным коэффициентом объёмного расширения

,

где ∆ V – приращение объёма, м ³;

V ₀ – начальный объём; м ³,

∆ T – прира­щение температуры, К.

Для масел при давлении 0…15 МПа принимают а = (6…7)10^–4 К^–1.

Температурное расширение вызывает повышение давления рабо­чей жидкости, находящейся в замкнутой ёмкости. Это необходимо учи­тывать при проектировании гидросистем.

Удельная теплоёмкость жидкости — это количество теплоты (Дж), необходимое для нагрева 1 кг жидкости на 1 К:

,

где Q _t – количество теплоты, Дж;

m – масса жидкости, кг;

∆ T – разность температур, К.

Теплопроводность жидкости (Вт/м ²К) характеризует её способ­ность проводить тепло и определяется отношением теплового потока к площади поверхности, нормальной к тепловому потоку и градиенту тем­пературы:

,

где Ф – тепловой поток, Вт;

S   – площадь поверхности, м ²;

grad T – градиент температуры, К/ м.

Теплопроводность масел зависит от температуры и типа масла и при 288 К (или 15° С) λ _t = 0,13 Вт/ (м ² · К).

При этом теплопроводность масел в 5 раз меньше теплопроводно­сти воды и в 500 раз меньше теплопроводности стали.

Температурой застывания называется температура, при которой масло густеет настолько, что при наклоне пробирки на угол 45° его уро­вень в течение 1 мин остаётся неизменным.

Эта характеристика существенна для работы гидросистем в условиях низких (ниже 260 К) температур.

Температура эксплуатации гидроприводов должна быть на 15…18° выше температуры застывания.

Температурой вспышки называется температура, при которой пары масла, нагретого в оговорённых стандартами условиях, образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени.

Эта характеристика существенна при работе гидросистем в усло­виях повышенных температур (металлургические, термические и кузнеч­ные цехи, т.п.).

Смазывающие свойства рабочей жидкости определяются проч­ностью масляной плёнки и её способностью противостоять разрыву. Как правило, чем больше вязкость, тем выше прочность масляной плёнки.

Рабочая жидкость должна обладать противозадирными свойства­ми, т.е. препятствовать контактированию трущихся поверхностей, и противоизносными свойствами.

Эти свойства часто достигаются добавлением в незначительных количествах специальных присадок.

Исследованиями установлено, что основной причиной отказов при работе гидрооборудования является недопустимое загрязнение рабочих жидкостей частицами механических примесей, попадающих, в частности, из внешней среды.

ГОСТ 17216—71 устанавливает 19 классов чистоты жидкостей, ко­торые отличаются друг от друга количеством и размерами находящихся в жидкости частиц загрязнения. При этом наличие в жидкости частиц раз­мером более 200 мкм (не считая волокон) не допускается.

Для гидроприводов металлургических машин удовлетворительным является использование рабочей жидкости от 7-го до 12-го классов чистоты, в которых присутствуют механические частицы размером 10…25 мкм. Такая чистота в процессе эксплуатации обеспечивается применением специальных средств очистки, например, фильтров.

Требования к рабочим жидкостям гидроприводов

В гидравлических системах рабочая жидкость, кроме передачи энергии к рабочим органам машин, служит для смазывания узлов трения и отвода от них теплоты. Отсюда и разнообразие требований, предъяв­ляемых к рабочим жидкостям:

• хорошая смазывающая способность;

• незначительное изменение вязкости в широком темпера­турном диапазоне;

• большой модуль объёмного сжатия;

• нетоксичность и совместимость с материалами уплотне­ний и других элементов гидросистемы;

• химическая стабильность;

• хорошая теплопроводность;

• высокие противокоррозионные и диэлектрические свой­ства;

• пожаро- и взрывобезопасность;

• низкая стоимость и др.

В качестве рабочих жидкостей гидросистем применяют минераль­ные (нефтяные) масла, синтетические жидкости, водные эмульсии типа «масло в воде», эмульсии типа «вода в масле» и водно-гликолевые жид­кости.

Рабочие жидкости на нефтяной основе получили наибольшее распространение из-за высоких смазывающих и противокоррозионных свойств, довольно низкой стоимости.

Синтетические жидкости обладают высокотемпературными свой­ствами, негорючи, однако дороги, несовместимы с некоторыми материа­лами, обладают худшими смазывающими свойствами.

В табл. 1.1 приведены характеристики некоторых типов жидко­стей, применяемых в промышленных гидроприводах.

Таблица 1.1