Связи между частицами жидкости, как мы знаем, слабее, чем между молекулами в твердом теле. Поэтому следует ожидать, что при одинаковом нагревании жидкости расширяются в большей степени, чем твердые тела. Это действительно подтверждается на опыте.
Наполним колбу с узким и длинным горлышком подкрашенной жидкостью (водой или лучше керосином) до половины горлышка и отметим резиновым колечком уровень жидкости. После этого опустим колбу в сосуд с горячей водой. Сначала будет видно понижение уровня жидкости в горлышке колбы, а затем уровень начнет повышаться и поднимется значительно выше начального. Это объясняется тем, что вначале нагревается сосуд и объем его увеличивается. Из-за этого уровень жидкости опускается. Затем нагревается жидкость. Расширяясь, она не только заполняет увеличившийся объем сосуда, но и значительно превышает этот объем. Следовательно, жидкости расширяются в большей степени, чем твердые тела.
Температурные коэффициенты объемного расширения жидкостей значительно больше коэффициентов объемного расширения твердых тел; они могут достигать значения 10 -3 К -1 .
Жидкость нельзя нагреть, не нагревая сосуда, в котором она находится. Поэтому мы не можем наблюдать истинного расширения жидкости в сосуде, так как расширение сосуда занижает видимое увеличение объема жидкости. Впрочем, коэффициент объемного расширения стекла и других твердых тел обычно значительно меньше коэффициента объемного расширения жидкости, и при не очень точных измерениях увеличением объема сосуда можно пренебречь.
Особенности расширения воды
Наиболее распространенная на Земле жидкость - вода - обладает особыми свойствами, отличающими ее от других жидкостей. У воды при нагревании от 0 до 4 °С объем не увеличивается, а уменьшается. Лишь с 4 °С объем воды начинает при нагревании возрастать. При 4 °С, таким образом, объем воды минимален, а плотность максимальна*. На рисунке 9.4 показана примерная зависимость плотности воды от температуры.
* Эти данные относятся к пресной (химически чистой) воде. У морской воды наибольшая плотность наблюдается примерно при 3 °С.
Отмеченное особое свойство воды оказывает большое влияние на характер теплообмена в водоемах. При охлаждении воды вначале плотность верхних слоев увеличивается, и они опускаются вниз. Но после достижения воздухом температуры 4 °С дальнейшее охлаждение уже уменьшает плотность, и холодные слои воды остаются на поверхности. В результате в глубоких водоемах даже при очень низкой температуре воздуха вода имеет температуру около 4 °С.
Объем жидких и твердых тел увеличивается прямо пропорционально росту температуры. У воды обнаруживается аномалия: ее плотность максимальна при 4 °С.
§ 9.4. Учет и использование теплового расширения тел в технике
Хотя линейные размеры и объемы тел при изменении температуры меняются мало, тем не менее это изменение нередко приходится учитывать в практике; в то же время это явление широко используется в быту и технике.
Учет теплового расширения тел
Изменение размеров твердых тел вследствие теплового расширения приводит к появлению огромных сил упругости, если другие тела препятствуют этому изменению размеров. Например, стальная мостовая балка сечением 100 см 2 при нагревании от -40 °С зимой до +40 °С летом, если опоры препятствуют ее удлинению, создает давление на опоры (напряжение) до 1,6 10 8 Па, т. е. действует на опоры с силой 1,6 10 6 Н.
Приведенные значения могут быть получены из закона Гука и формулы (9.2.1) для теплового расширения тел.
Согласно
закону Гука механическое напряжение
,где
- относительное удлинение,a
Е
-
модуль Юнга. Согласно (9.2.1)
.
Подставляя это значение относительного
удлинения в формулу закона Гука, получим
(9.4.1)
У стали модуль Юнга Е = 2,1 10 11 Па, температурный коэффициент линейного расширения α 1 = 9 10 -6 К -1 . Подставив эти данные в выражение (9.4.1), получим, что при Δt = 80 °С механическое напряжение σ = 1,6 10 8 Па.
Так как S = 10 -2 м 2 , то сила F = σS = 1,6 10 6 Н.
Для демонстрации сил, появляющихся при охлаждении металлического стержня, можно проделать следующий опыт. Нагреем железный стержень с отверстием на конце, в которое вставлен чугунный стерженек (рис. 9.5). Затем вставим этот стержень в массивную металлическую подставку с пазами. При охлаждении стержень сокращается, и в нем возникают столь большие силы упругости, что чугунный стерженек ломается.
Тепловое расширение тел нужно учитывать при конструировании многих сооружений. Необходимо принимать меры для того, чтобы тела могли свободно расширяться или сжиматься при изменении температуры.
Нельзя, например, туго натягивать телеграфные провода, а также провода линий электропередачи (ЛЭП) между опорами. Летом провисание проводов заметно больше, чем зимой.
Металлические паропроводы, а также трубы водяного отопления приходится снабжать изгибами (компенсаторами) в виде петель (рис. 9.6).
Внутренние напряжения могут возникать при неравномерном нагревании однородного тела. Например, стеклянная бутылка или стакан из толстого стекла могут лопнуть, если налить в них горячей воды. В первую очередь происходит нагрев внутренних частей сосуда, соприкасающихся с горячей водой. Они расширяются и оказывают сильное давление на внешние холодные части. Поэтому может произойти разрушение сосуда. Тонкий же стакан не лопается при наливании в него горячей воды, так как его внутренняя и внешняя части одинаково быстро прогреваются.
Очень малый температурный коэффициент линейного расширения имеет кварцевое стекло. Такое стекло выдерживает, не трескаясь, неравномерное нагревание или охлаждение. Например, в раскаленную докрасна колбочку из кварцевого стекла можно вливать холодную воду, тогда как колба из обычного стекла при таком опыте лопается.
Разнородные материалы, подвергающиеся периодическому нагреванию и охлаждению, следует соединять вместе только тогда, когда их размеры при изменении температуры меняются одинаково. Это особенно важно при больших размерах изделий. Так, например, железо и бетон при нагревании расширяются одинаково. Именно поэтому широкое распространение получил железобетон - затвердевший бетонный раствор, залитый в стальную решетку - арматуру (рис. 9.7). Если бы железо и бетон расширялись по-разному, то в результате суточных и годовых колебаний температуры железобетонное сооружение вскоре бы разрушилось.
Еще несколько примеров. Металлические проводники, впаянные в стеклянные баллоны электроламп и радиоламп, делают из сплава (железа и никеля), имеющего такой же коэффициент расширения, как и стекло, иначе при нагревании металла стекло треснуло бы. Эмаль, которой покрывают посуду, и металл, из которого эта посуда изготовляется, должны иметь одинаковый коэффициент линейного расширения. В противном случае эмаль будет лопаться при нагревании и охлаждении покрытой ею посуды.
Значительные силы могут развиваться и жидкостью, если нагревать ее в замкнутом сосуде, не позволяющем жидкости расширяться. Эти силы могут привести к разрушению сосудов, в которых содержится жидкость. Поэтому с этим свойством жидкости тоже приходится считаться. Например, системы труб водяного отопления всегда снабжаются расширительным баком, присоединенным к верхней части системы и сообщающимся с атмосферой. При нагревании воды в системе труб небольшая часть воды переходит в расширительный бак, и этим исключается напряженное состояние воды и труб. По этой же причине в силовом трансформаторе с масляным охлаждением наверху имеется расширительный бак для масла. При повышении температуры уровень масла в баке повышается, при охлаждении масла - понижается.
Температурное расширение жидкостисостоит в том, что она может изменять свой объем при изменении температуры. Это свойство характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения , представляющим относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на единицу (на 1 о C) и при постоянном давлении:
По аналогии со свойством сжимаемости жидкости можно записать
или через плотность
Изменение объёма при изменении температуры происходит за счёт изменения плотности.
Для большинства жидкостей коэффициент t с увеличением давления уменьшается. Коэффициент t с уменьшением плотности нефтепродуктов от 920 до 700 кг/м 3 увеличивается от 0,0006 до 0,0008 ; для рабочих жидкостей гидросистем t обычно принимают не зависящим от температуры. Для этих жидкостей увеличение давления от атмосферного до 60 МПа приводит к росту t примерно на 10 – 20 % . При этом, чем выше температура рабочей жидкости, тем больше увеличение t . Для воды с увеличением давления при температуре до 50 о C t растёт, а при температуре выше 50 о C уменьшается.
Растворение газов
Растворение газов - способность жидкости поглощать (растворять) газы, находящиеся в соприкосновении с ней. Все жидкости в той или иной степени поглощают и растворяют газы. Это свойство характеризуется коэффициентом растворимости k р .
Е
сли
в закрытом сосуде жидкость находится
в контакте с газом при давленииP
1
,
то газ начнёт растворяться в жидкости.
Через какое-то время
произойдёт насыщение жидкости газом и давление в сосуде изменится. Коэффициент растворимости связывает изменение давления в сосуде с объёмом растворённого газа и объёмом жидкости следующим соотношением
где V Г – объём растворённого газа при нормальных условиях,
V ж – объём жидкости,
P 1 и P 2 – начальное и конечное давление газа.
Коэффициент растворимости зависит от типа жидкости, газа и температуры.
При температуре 20 ºС и атмосферном давлении в воде содержится около 1,6% растворенного воздуха по объему (k p = 0,016 ). С увеличением температуры от 0 до 30 ºС коэффициент растворимости воздуха в воде уменьшается. Коэффициент растворимости воздуха в маслах при температуре 20 ºС равен примерно 0,08 – 0,1 . Кислород отличается более высокой растворимостью, чем воздух, поэтому содержание кислорода в воздухе, растворенном в жидкости, примерно на 50% выше, чем в атмосферном. При уменьшении давления газ из жидкости выделяется. Процесс выделения газа протекает интенсивнее, чем растворение.
Кипение
Кипение – способность жидкости переходить в газообразное состояние. Иначе это свойство жидкостей называютиспаряемостью .
Жидкость можно довести до кипения повышением температуры до значений, больших температуры кипения при данном давлении, или понижением давления до значений, меньших давления насыщенных паров p нп жидкости при данной температуре. Образование пузырьков при понижении давления до давления насыщенных паров называется холодным кипением.
Жидкость, из которой удален растворенный в ней газ, называется дегазированной. В такой жидкости, кипение не возникает и при температуре, большей температуры кипения при данном давлении.
15.07.2012
Физические свойства гидравлических масел и их влияние на эксплуатационные характеристики
1. Вязкость, вязкостно-температурные характеристики
Вязкость является важнейшим критерием оценки несущих способностей гидравлического масла. Вязкость дифференцируют по динамическим и кинематическим показателям.
Индустриальные смазочные масла и гидравлические масла классифицируют по ISO
классам вязкости на основании их кинематической вязкости, которую, в свою очередь, описывают как отношение динамической вязкости к плотности. Эталонной является температура 40 °С. Официальной единицей измерения (St
) для кинематической вязкости является м 2 /с, а в нефтеперерабатывающей промышленности единицей измерения кинематической вязкости является cSt
(сантистокс) или мм 2 /с. Классификация вязкости ISO, DIN
51519 для жидких промышленных смазочных материалов описывает 18 сортов (классов) вязкости от 2 до 1500 мм 2 /с при температуре 40 °С. Каждый сорт определяют по средней вязкости при 40 °С и с допустимым отклонением ±10% от этой величины. Вязкостно-температурная зависимость имеет большое значение для гидравлических масел. Вязкость резко увеличивается с понижением температуры и понижается по мере повышения температуры. В практическом смысле пороговая вязкость жидкости (допустимая вязкость при запуске, прибл. 800—2000 мм 2 /с) необходима для использования в насосах различных типов. Минимально допустимая вязкость при высоких температурах определяется началом фазы граничного трения. Минимальная вязкость не должна быть ниже 7—10 мм 2 /с во избежание недопустимого износа насосов и двигателей. Кривые на вязкостно-температурных графиках описывают зависимость вязкости гидравлических жидкостей от температуры. В линейных условиях В—Т
- кривые гиперболичны. Путем математической трансформации эти В— Т
- кривые могут быть представлены как прямые линии. Эти линии позволяют точно определять вязкость в широком температурном диапазоне. Индекс вязкости (ИВ) является критерием В— Т
-зависимости, а В—Т
- кривая — градиентом на графике. Чем выше ИВ гидравлической жидкости, тем меньше изменение вязкости с изменением температуры, т. е. тем более полога В— Т
- кривая. Гидравлические масла на базе минеральных масел обычно имеют природный ИВ 95-100. Синтетические гидравлические масла на базе сложных эфиров имеют предельный ИВ 140-180, а полигликоли — природный ИВ 180-200 (рис. 1)
Индекс вязкости может быть также повышен с помощью присадок (полимерных присадок, которые должны обладать стойкостью к сдвигу), называемых присадками, улучшающими ИВ, или вязкостными присадками. Гидравлические масла с высокими ИВ обеспечивают легкий запуск, снижают потери в эксплуатационных характеристиках при низких окружающи температурах и улучшают уплотнения и защиту от износа при высоких рабочих температурах. Высокоиндексные масла повышают эффективность системы и увеличивают срок службы узлов и компонентов, подверженных износу (чем выше вязкость при рабочих температурах, тем лучше коэффициент объема).
2. Зависимость вязкости от давления
За несущую способность смазочной пленки ответственна зависимость вязкости смазочного материала от давления. Динамическая вязкость жидких сред повышается с повышением давления. Ниже приведен способ регулирования зависимости динамической вязкости от давления при постоянной температуре.
Зависимость вязкости от давления, а именно увеличение вязкости по мере повышения давления оказывает положительное влияние на удельную нагрузку (например, на подшипники), потому что вязкость смазочной пленки увеличивается под действием высокого парциального давления с 0 до 2000 атм. Вязкость HFC
жидкости увеличивается в два раза, минерального масла — в 30 раз, в HFD
жидкости — в 60 раз. Этим объясняется сравнительно короткий срок службы роликовых подшипников, если для их смазки используют (HFA, HFC
) смазочные масла на водной основе. На рис. 2. и 3 показана зависимость вязкости от давления для различных гидравлических жидкостей.
Вязкостно-температурные характеристики могут быть также описаны экспоненциальным выражением:
η = η ο · e αP ,
Где η ο — динамическая вязкость при атмосферном давлении, α — коэффициент зависимости «вязкость-давление», Р
—давление. Для HFC
α = 3,5 · 10 -4 атм -1 ;
для HFD
α = 2,2·10 -3 атм -1 ; для HLP
α = 1,7·10 -3 атм -1
3. Плотность
Потери гидравлических жидкостей в трубопроводной обвязке и в элементах гидравлической системы прямо пропорциональны плотности жидкости. Например, потери давления прямо пропорциональны плотности:
ΔP = (ρ/2)·ξ·с 2 ,
Где ρ — плотность жидкости, ξ, — коэффициент сопротивления, с
— скорость течения жидкости, а ΔP
— потеря давления.
Плотность ρ — это масса единицы объема жидкости.
ρ = m/V (кг/м 3).
Плотность гидравлической жидкости измеряют при температуре 15 °С. Она зависит от температуры и давления, так как объем жидкости увеличивается при увеличении температуры. Таким образом, изменение объема жидкости в результате нагрева происходит по уравнению
ΔV =V ·β темп ΔT ,
Что приводит к изменению плотности:
Δρ = ρ·β темп ΔT .
В гидростатических условиях при температурах от -5 до +150 °С достаточно применения линейной формулы к приведенному выше уравнению. Коэффициент термического объемного расширения β темп может быть применен ко всем типам гидравлических жидкостей.
Так как коэффициент термического расширения минеральных масел приблизительно составляет 7 · 10 -4 К -1 , то объем гидравлической жидкости увеличивается на 0,7%, если ее температура повышается на 10 °С. На рис. 5 показана зависимость объема гидравлических жидкостей от температуры.
Зависимость «плотность—давление» гидравлических жидкостей следует также включить в гидростатическую оценку, так как сжимаемость жидкостей негативно влияет на их динамические характеристики. Зависимость плотности от давления можно просто считывать по соответствующим кривым (рис. 6).
4. Сжимаемость
Сжимаемость гидравлических жидкостей на базе минеральных масел зависит от температуры и давления. При давлениях вплоть до 400 атм и температурах до 70 °С, которые являются предельными для индустриальных систем, сжимаемость ревалентна системе. Гидравлические жидкости, применяемые в большинстве гидравлических систем, можно считать несжимаемыми. Однако при давлениях от 1000 до 10 000 атм могут наблюдаться изменения в сжимаемости среды. Сжимаемость выражается коэффициентом β или модулем М
(рис. 7, М
= К
).
М = 1/β атм = 1/β · 10 5 Н · м 2 = 1/β · 10 5 Па.
Изменение объема можно определить с помощью уравнения
ΔV =V · β(P max -Р нач)
Где ΔV — изменение объема; Р max — максимальное давление; Р нач — начальное давление.
5. Растворимость газов, кавитация
Воздух и другие газы могут растворяться в жидкостях. Жидкость может абсорбировать газ до состояния насыщения. Это не должно негативно влиять на характеристики жидкости. Растворимость газа в жидкости зависит от базовой составляющей типа газа, давления и температуры. При давлении вплоть до ≈300 атм. растворимость газа пропорциональна давлению и соответствует закону Генри.
V G =V F ·α V ·P/P o ,
Где V
G
— объем растворенного газа; V
F — объем жидкости, Р
o — атмосферное давление, P
—давление жидкости; α V —коэффициент распределения Бунзена (1,013 мбар,20 °С).
Коэффициент Бунзена в высокой степени зависит от базовой жидкости и показывает, насколько (%) газ растворен в единице объема жидкости в нормальных условиях. Растворенный газ может выделяться из гидравлической жидкости при низком статическом давлении (высокой скорости потока и высоком напряжении сдвига) до тех пор, пока не достигнута новая точка насыщения. Скорость, с которой газ покидает жидкость, обычно превышает скорость, с которой газ абсорбируется жидкостью. Газ, выходящий из жидкости в виде пузырьков, изменяет сжимаемость жидкости аналогично пузырькам воздуха. Даже при низких давлениях небольшое количество воздуха может резко снизить несжимаемость жидкости. В мобильных системах с высокой кратностью циркуляции жидкости содержание нерастворенного воздуха может достигать величин вплоть до 5%. Этот нерастворенный воздух очень негативно влияет на эксплуатационные характеристики, несущую способность и динамику системы (смотри раздел 6 — деаэрация и раздел 7 — пенообразование). Поскольку сжимаемость жидкостей в системах обычно протекает очень быстро, пузырьки воздуха могут внезапно разогреться до высокой температуры (адиабатическая компрессия). В экстремальных случаях может быть достигнута температура возгорания жидкости и иметь место микродизельные эффекты.
Пузырьки газа могут также взрываться в насосах в результате сжатия, что может привести к повреждению вследствие эрозии (которую иногда называют кавитацией или псевдокавитацией). Ситуация может усугубиться, если в жидкости образуются пузырьки паров. Таким образом, кавитация происходит тогда, когда давление падает ниже растворимости газа или ниже давления насыщенных паров жидкости.
Кавитация в основном происходит в открытых системах с постоянным объемом, то есть опасность этого явления актуальна для впускных и выпускных контуров и насосов. Ее причинами могут быть слишком низкое абсолютное давление в результате потерь в скорости потока в узких поперечных сечениях, на фильтрах, коллекторах и дроссельных заслонках, вследствие избыточного напора на входе или потерь давления в результате чрезмерной вязкости жидкости. Кавитация может привести к эрозии насосов, снижению к. п. д., пикам давления и чрезмерному шуму.
Это явление может отрицательно влиять на стабильность дроссельных регуляторов и вызывать вспенивание в емкостях, если смесь жидкость-вода возвращается в емкость при атмосферном давлении.
6. Деаэрация
При возвращении гидравлических жидкостей обратно в резервуары поток жидкости способен увлечь с собой воздух. Это может произойти из-за утечек в трубопроводной обвязке при сужении и частичном вакууме. Турбулентность в резервуаре или локальная кавитация говорит об образовании пузырьков воздуха в жидкости.
Захваченный таким образом воздух должен выйти на поверхность жидкости, в противном случае при попадании в насос он может привести к повреждению других компонентов системы. Скорость, с которой пузырьки воздуха поднимаются на поверхность, зависит от диаметра пузырьков, вязкости жидкости, плотности и качества базового масла. Чем выше качество и чистота базового масла, тем быстрее происходит деаэрация. Маловязкие масла обычно деаэрируются быстрее, чем высоковязкие базовые масла. Это связано со скоростью подъема пузырьков.
C = (ρ FL -ρ L )Χ/η,
Где ρ FL
— плотность жидкости; ρ L
— плотность воздуха; η— динамическая вязкость; X— константа, зависящая от плотности и вязкости жидкости.
Системы должны быть сконструированы таким образом, чтобы воздух не попадал в жидкость, а в случае попадания увлеченные пузырьки воздуха могли легко выйти. Критическими зонами являются резервуары, которые должны быть снабжены перегородками и воздухоотражателями, и конфигурация трубопроводных обвязок и контуров. Присадки не могут положительно влиять на деаэрационные свойства гидравлических жидкостей. ПАВ (в частности, антипенные присадки на основе силиконов) и загрязняющие примеси (например, пластичные смазки и ингибиторы коррозии) вредоносно влияют на деаэрационные характеристики гидравлических масел. Минеральные масла обычно обладают лучшими деаэрационными свойствами, чем огнестойкие жидкости. Деаэрационные свойства HPLD
гидравлической жидкости могут быть сопоставимы со свойствами гидравлических жидкостей HLP
.
Испытание на определение деаэрационных свойств описано в стандарте DIN
51 381. Этот метод заключается в нагнетании воздуха в масло. Число деаэрации — это время, которое требуется воздуху (минус 0,2%) для того, чтобы покинуть жидкость при температуре 50 °С в заданных условиях.
Долю диспергированного воздуха определяют путем измерения плотности масляно-воздушной смеси.
7. Пенообразование
Поверхностное вспенивание происходит, когда скорость деаэрации выше скорости, с которой пузырьки воздуха лопаются на поверхности жидкости, т. е. когда образовавшихся пузырьков больше, чем разрушившихся. В худшем случае эта пена может быть выдавлена из бака через отверстия или унесена в насос. Антипенные присадки на основе силиконов или не содержащие силиконов способны ускорить разрушение пузырьков путем снижения поверхностного натяжения пены. Они также негативно влияют на деаэрационные свойства жидкости, что может вызвать проблемы сжимаемости и кавитацию. Поэтому антипенные присадки применяются в очень малых концентрациях (≈ 0,001%). Концентрация антипенной присадки может прогрессивно снижаться в результате старения и осаждения на металлических поверхностях, также проблемы пенообразования часто возникают при использовании старых, уже работавших жидкостей. Последующее введение антипенной присадки следует производить только после консультации с производителем гидравлической жидкости.
Объем пены, образующейся на поверхности жидкости, измеряют по времени (сразу, через 10 мин) и при разных температурах (25 и 95 °С). ПАВ, детергенты или диспергирующие присадки, загрязнители в виде пластичной смазки, ингибиторов коррозии, чистящих средств, СОЖ, побочных продуктов окисления и т. д. могут негативно влиять на эффективность антипенных присадок.
8. Деэмульгирование
Деэмульгирование — это способность гидравлической жидкости отталкивать проникшую воду. Вода в гидравлическую жидкость может попасть в результате утечки из теплообменника, образования конденсированной воды в резервуарах вследствие значительных изменений в уровне масла, плохой фильтрации, загрязнения воды из-за неисправности уплотнений и в экстремальных окружающих условиях. Вода в гидравлической жидкости может вызвать коррозию, кавитацию в насосах, увеличить трение и износ, ускорить разрушение эластомеров и пластиков. Свободную воду следует по возможности быстрее удалять из емкостей с гидравлическими жидкостями через сливные краны. Загрязнение водорастворимыми СОЖ, особенно возможное на станочном оборудовании, может вызывать образование липких остатков после испарения воды. Это может спровоцировать проблемы в насосах, клапанах и цилиндрах. Гидравлическая жидкость должна быстро и полностью отталкивать проникшую в нее воду. Деэмульгирование определяют по DIN
51 599, но этот метод неприменим к гидравлическим жидкостям, содержащим моюще-диспергирующие (DD
) присадки. Деэмульгирование — это время, которое требуется для разделения смесей масла и воды. Параметрами деэмульгирования являются:
. вязкость вплоть до 95 мм 2 /с при 40 °С; температура испытания 54 °С;
. вязкость > 95 мм 2 /с; температура 82 °С.
В гидравлических маслах, содержащих DD
присадки, вода, жидкие и твердые загрязняющие примеси удерживаются во взвешенном состоянии. Они могут быть удалены с помощью соответствующих фильтрующих систем без использования гидравлической функции машины, исключая негативное воздействие на гидравлическую жидкость. Поэтому DD
гидравлические жидкости часто применяются в гидростатическом станочном оборудовании и в мобильных гидравлических системах.
Для машин с высокой кратностью циркуляции, нуждающихся в постоянной эксплуатационной готовности и перманентно подвергнутых опасности попадания воды и других загрязнителей, применение моющих гидравлических жидкостей является первостепенной областью. Гидравлические жидкости, обладающие деэмульгирующими свойствами, рекомендуются к применению в сталеплавильных и прокатных цехах, где присутствуют большие объемы воды и невысокая кратность циркуляции позволяет производить разделение эмульсий в резервуаре. Деэмульгирующие свойства в модифицированной форме используются для определения совместимости оборудования с гидравлическими маслами. Старение гидравлической жидкости негативно влияет на деэмулыирующие свойства.
9. Температура застывания
Температура застывания — это самая низкая температура, при которой жидкость все еще сохраняет текучесть. Образец жидкости систематически охлаждают и испытывают на текучесть при понижении температуры на каждые 3 °С. Такие параметры, как температура застывания и граничная вязкость, определяют самую низкую температуру, при которой возможно нормальное применение масла.
10. Медная коррозия (испытание на медной пластинке)
Медь и медьсодержащие материалы часто применяются в гидравлических системах. Такие материалы, как латунь, литейная бронза или спеченная бронза содержатся в элементах подшипников, направляющих или в узлах управления, ползунах, гидравлических насосах и моторах. Медные трубы применяются в системах охлаждения. Медная коррозия может привести к отказу всей гидравлической системы, поэтому испытание на коррозию медной пластинки проводят для получения информации о коррозионной агрессивности базовых жидкостей и присадок по отношению к материалам, содержащим медь. Методика испытания на коррозионную агрессивность гидравлических жидкостей на минеральной основе, т. е. биологически разлагаемых жидкостей, по отношению к цветным металлам известна как метод Линде (отборочный метод испытания биологически разлагаемых масел на коррозионную агрессивность по отношению к медным сплавам) (SAE
Технический бюллетень 981 516, апрель 1998 г.), также известный как VDMA
24570 (VDMA
24570 — биологически быстро разлагаемые гидравлические жидкости — воздействие на сплавы из цветных металлов 03-1999 на немецком языке).
В соответствии со стандартом DIN
51 759, коррозия на медной пластинке может выражаться в форме изменения цвета или образования чешуек. Шлифовальную медную пластинку погружают в испытуемую жидкость на заданное время при заданной температуре. Гидравлические и смазочные масла обычно испытывают при температуре 100 °С. Степень коррозии оценивают в баллах:
1 — легкое изменение цвета;
2 — умеренное изменение цвета;
3 — сильное изменение цвета;
4 — коррозия (потемнение).
11. Содержание воды (Метод Карла Фишера)
Если вода попадает в гидравлическую систему частично тонкодиспергированной настолько, что она проникает в масляную фазу, то в зависимости от плотности гидравлической жидкости вода может также выделяться из масляной фазы. Эту возможность необходимо учитывать при отборе проб для определения содержания воды.
Определение содержания воды в мг/кг (масс) по методу Карла Фишера связано с введением раствора Карла Фишера при прямом или косвенном титровании.
12. Стойкость к старению (метод Баадера)
Это попытка повторить изучение влияния воздуха, температуры и кислорода на гидравлические жидкости в лабораторных условиях. Была предпринята попытка искусственно ускорить старение гидравлических масел путем повышения температуры выше уровней практического применения, а также уровня кислорода в присутствии металлических катализаторов. Увеличение вязкости и увеличение кислотного числа (свободная кислота) регистрируют и оценивают. Результаты лабораторных испытаний переводят на практические условия. Метод Баадера — это практический способ испытания гидравлических и смазочных масел на старение.
В течение заданного периода времени образцы подвергают старению при заданных температуре и давлении потока воздуха при периодическом погружении в масло медного змеевика, действующего в качестве ускорителя окисления. В соответствии с DIN
51 554-3 С, CL
и CLP
жидкости и HL
, HLP
, НМ
гидравлические масла испытывают на окислительную стабильность при температуре 95 °С. Число омыления выражается в мг КОН/г.
13. Стойкость к старению (метод TOST
)
Окислительную стабильность масел для паровых турбин и гидравлических масел, содержащих присадки, определяют в соответствии с DIN
51 587. Метод TOST
уже много лет применяется для испытания турбинных масел и гидравлических жидкостей на базе минеральных масел. В модифицированном виде (без воды) сухой TOST
метод применяется для определения окислительной стойкости гидравлических масел на базе сложных эфиров.
Старение смазочных масел характеризуется увеличением кислотного числа, когда масло подвергается воздействию кислорода, воды, стали и меди на протяжении максимум 1000 ч при 95 °С (кривая нейтрализации по мере старения). Максимально допустимо увеличение кислотного числа — 2 мг КОН/г после 1000 ч.
14. Кислотное число (число нейтрализации)
Кислотное число гидравлического масла увеличивается в результате старения, перегрева или окисления. Образовавшиеся продукты старения могут агрессивно действовать на насосы и подшипники гидравлической системы. Поэтому кислотное число является важным критерием оценки состояния гидравлической жидкости.
Кислотное число указывает на количество кислотных или щелочных веществ в смазочном масле. Кислоты в минеральных маслах могут агрессивно действовать на конструкционные материалы гидравлической системы. Высокое содержание кислоты нежелательно, так как возможно в результате окисления.
15. Защитные антиокислительные свойства по отношению к стали/черным металлам
Антиокислительные свойства турбинных и гидравлических масел, содержащих присадки, по отношению к стали/черным металлам определяют в соответствии со стандартом
DIN
51 585.
Гидравлические жидкости часто содержат диспергированную, растворенную или свободную воду, поэтому гидравлическая жидкость должна обеспечивать защиту от коррозии всех смачиваемых узлов в любых условиях эксплуатации, включая загрязнение водой. Этот метод испытания определяет характеристики антикоррозионных присадок в ряде различных условий эксплуатации.
Испытуемое масло перемешивают с дистиллированной водой (метод А) или с искусственной морской водой (метод В), непрерывно помешивая (в течение 24 ч при температуре 60 °С) стальным стержнем, погруженным в смесь. После стальной стержень исследуют на коррозию. Результаты позволяют оценивать антикоррозионные защитные свойства масла по отношению к стальным компонентам, находящимся в контакте с водой или с водяными парами:
степень коррозии 0 означает отсутствие коррозии,
степень 1 — незначительную коррозию;
степень 2 — умеренную коррозию;
степень 3 — сильную коррозию.
16. Противоизносные свойства (четырехшариковая машина Shell
; VKA, DIN
51350)
Четырехшариковый аппарат компании Shell
служит для измерения противоизносных и противозадирных свойств гидравлических жидкостей. Несущую способность гидравлических жидкостей испытывают в условиях граничного трения. Метод служит для определения величин для смазочных масел с присадками, которые выдерживают высокое давление в условиях граничного трения между поверхностями скольжения. Смазочное масло испытывают в четырехшариковом аппарате, который состоит из одного (центрального) вращающегося шарика и трех неподвижных шариков, расположенных в виде кольца. В постоянных условиях испытаний и с заданной продолжительностью измеряют диаметр пятна контакта на трех стационарных шариках или нагрузку на вращающийся шарик, которая может увеличиваться до сваривания с остальными тремя шариками.
17. Стойкость к сдвигу смазочных масел, содержащих полимеры
В смазочные масла для повышения вязкостно-температурных характеристик вводят полимеры, применяемые в качестве присадок, улучшающих индекс вязкости. По мере увеличения молекулярной массы эти вещества становятся все более чувствительными к механическим нагрузкам, например к таким нагрузкам, которые существуют между поршнем и его цилиндром. Для оценки стойкости масел к сдвигу в различных условиях существуют несколько методов испытаний:
DIN
5350-6, четырехшариковый метод, DIN
5354-3, FZG
метод и DIN
51 382, метод впрыска дизельного топлива.
Снижение относительной вязкости вследствие сдвига после 20-часового испытания по DIN
5350-6 (определение стойкости к сдвигу смазочных масел, содержащих полимеры, применяемых для роликовых подшипников с коническим вкладышем) применяется в соответствии с DIN
51 524-3 (2006); рекомендуется снижение вязкости вследствие сдвига менее чем на 15%.
18. Механические испытания гидравлических жидкостей в ротационных крыльчатых насосах (DIN
51 389-2)
Испытание на насосе Виккерса и насосах других производителей позволяет реально оценивать характеристики гидравлических жидкостей. Однако в настоящее время в стадии разработки находятся альтернативные методы испытания (в частности, проект DGMK
514 — механические испытания гидравлических жидкостей).
Метод Виккерса служит для определения противоизносных свойств гидравлических жидкостей в ротационном крыльчатом насосе при заданных величинах температуры и давления (140 атм, 250 ч рабочей вязкости жидкости 13 мм 2 /с при изменяющейся температуре). По окончании испытания обследуют кольца и крылья на износ {Vickers
V
-104С
10 или Vickers
V
-105С
10). Значения максимально допустимого износа: < 120 мг для кольца и < 30 мг для крыльев.
19. Противоизносные свойства (испытание на шестеренном FZG
стенде;
DIN 534-1и-2)
Гидравлические жидкости, особенно высоковязкие сорта, применяются в качестве гидравлических и смазочных масел в комбинированных системах. Динамическая вязкость является главным фактором противоизносных характеристик в режиме гидродинамической смазки. При малых скоростях скольжения или высоких давлениях в условиях граничного трения противоизносные свойства жидкости зависят от примененных присадок (образование реактивного слоя). Эти граничные условия воспроизводятся при испытании на FZG
стенде.
Этот метод применяется главным образом для определения граничных характеристик смазочных материалов. Определенные шестерни, вращающиеся с определенной скоростью, смазывают разбрызгиванием или распылением масла, начальную температуру которого регистрируют. Нагрузку на ножки зубьев ступенчато повышают и записывают характеристики внешнего вида ножек зубьев. Эту процедуру повторяют до конечной 12-й ступени нагрузки: давление по Герцу на 10-й ступени нагрузки в полосе зацепления составляет 1 539 Н/мм2; на ступени 11 — 1 691 Н/мм 2 ; на 12-й ступени — 1 841 Н/мм 2 . Исходная температура на ступени 4 составляет 90 °С, периферическая скорость — 8,3 м/с, предельную температуру не определяют; применяют геометрию шестерен А.
Определяют нагрузочную ступень отказа по DIN
51 524-2. Для положительного результата это должна быть ступень не менее 10-й. Гидравлические жидкости, отвечающие требованиям ISO VG
46, не содержащие противоизносных присадок, обычно достигают нагрузочной ступени 6 (≈ 929 Н/мм 2). Гидравлические жидкости, содержащие цинк, обычно достигают не менее 10—11-й нагрузочной ступени до разрушения. Не содержащие цинка так называемые ZAF
гидравлические жидкости выдерживают ступень нагрузки 12 или выше.
Роман Маслов.
По материалам зарубежных изданий.
При изменении температуры происходит изменение размеров твердого тела, которое называют тепловым расширением. Различают линейное и объемное тепловое расширения. Эти процессы характеризуют коэффициентами теплового (температурного) расширения: — средний коэффициент линейного температурного расширения, средний коэффициент объемного теплового расширения.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Коэффициентом температурного расширения называют физическую величину характеризующую изменение линейных размеров твердого тела при изменении его температуры.
Применяют, обычно средний коэффициент линейного расширения. Это характеристика теплового расширения материала.
Если первоначальная длина тела равна , — его удлинение при увеличении температуры тела на , тогда определен формулой:
Коэффициент линейного удлинения является характеристикой относительного удлинения (), которое происходит при увеличении температуры тела на 1К.
При увеличении температуры увеличивается объем твердого тела. В первом приближении можно считать, что:
где — начальный объем тела, — изменение температуры тела. Тогда коэффициентом объемного расширения тела является физическая величина, которая характеризует относительное изменение объема тела (), которое происходит при нагревании тела на 1 K и неизменном давлении. Математическим определением коэффициента объемного расширения является формула:
Тепловое расширение твердого тела связывают с ангармоничностью тепловых колебаний частиц, составляющих кристаллическую решетку тела. В результате данных колебаний при увеличении температуры тела увеличивается равновесное расстояние между соседними частицами этого тела.
При изменении объема тела происходит изменение его плотности:
где — начальная плотность, — плотность вещества при новой температуре. Так как величина то выражение (4) иногда записывают как:
Коэффициенты теплового расширения зависят от вещества. В общем случае они будут зависеть от температуры. Коэффициенты теплового расширения считают независимыми от температуры в небольшом интервале температур.
Существует ряд веществ, имеющих отрицательный коэффициент теплового расширения. Так при повышении температуры такие материалы сжимаются. Обычно это происходит в узком интервале температур. Есть вещества, у которых коэффициент теплового расширения почти равен нулю около некоторого определенного интервала температур.
Выражение (3) применяют не только для твердых тел, но и жидкостей. При этом считают, что коэффициент температурного расширения для капельных жидкостей изменяется при изменении температуры не существенно. Однако при расчете систем отопления его учитывают.
Связь коэффициентов теплового расширения
Единицы измерения
Основной единицей измерения коэффициентов температурного расширения в системе СИ является:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Для того чтобы определять коэффициент объемного расширения жидкостей используют приборы, которые называют пикнометры. Это стеклянные колбы с узким горлом (рис.1). На горлышке ставят отметки о вместимости сосуда (обычно в мл). Как применяют пикнометры?
|
| Решение | Измеряют коэффициент объемного расширения следующим образом. Пикнометр наполняют исследуемой жидкостью, до избранной метки. Колбу нагревают, отмечая изменение уровня вещества. При таких известных величинах как: начальный объем пикнометра, площадь сечения канала шейки колбы, изменение температуры определяют долю начального объема жидкости, которая поступила в шейку пикнометра, при нагревании на 1 К. При этом следует учесть, что коэффициент расширения жидкости больше, полученной величины, так как произошло нагревание и расширение и колбы. Следовательно, для вычисления коэффициента расширения жидкости добавляют коэффициент расширения вещества колбы (обычно стекла). Надо сказать, что, так как коэффициент объемного расширения стекла существенно меньше, чем жидкости, при приблизительных расчетах коэффициентом расширения стекла можно пренебречь. |
ПРИМЕР 2
| Задание | В чем состоят особенности расширения воды? В чем значение этого явления? |
| Решение | Вода, в отличие от большинства других жидких веществ, расширяется при нагревании, только если температура выше 4 o С. В интервале температур объем воды при увеличении температуры уменьшается. Пресная вода при имеет максимальную плотность. Для морской воды максимальная плотность достигается при. Рост давления понижает температуру максимальной плотности воды.
Так как почти 80% поверхности нашей планеты покрыто водой, то особенности расширения ее играют значимую роль в создании климата на Земле. Лучи Солнца, попадая на водную поверхность, нагревают ее. Если температура ниже 1-2 o С, то нагревшиеся слои воды имеют большую плотность, чем холодные и опускаются вниз. При этом их место занимают более холодные слои, которые в свою очередь нагреваются. Так идет постоянная смена слоев воды и это ведет к прогреванию водяной толщи, до момента достижения максимальной плотности. Дальнейшее увеличение температуры приводит к тому, что верхние слои воды уменьшают свою плотность и остаются наверху. Так, получается, что большой слой воды прогревается до температуры максимальной плотности довольно быстро, а дальнейшее увеличение температуры идет медленно. В результате глубокие водоемы Земли с некоторой глубины имеют температуру около 2-3 o С. При этом температура верхних слоев воды в морях теплых стран может иметь температуру около 30 o C и выше. |