Рис.4 Ареометры для жидкостей различной плотности

Единицей плотности в системе СИ является 1 кг/м³.

Плот­ность воды (при 4 °С) в = 1000 кг/м³ = 1 г/см³;

нефти (при 20 °С) н = 850 кг/м³ =0,85 г/см³.   

                                а)                                                                                        б)

Рис. 5. Ареометр, погруженный в цилиндр с жидкостью:
а) ареометры XVIII века ; б) современный ареометр

Ареометр 2 (Рис. 6) погружают в стеклянный цилиндр 1, заполненный испытуемой рабочей жидкостью 3. Ареометр сле­дует опускать в цилиндр медленно и осторожно, поддерживая его за стержень. Чем больше плотность жидкости, тем на мень­шую глубину погружается ареометр. Когда ареометр перестанет погружаться и начнет плавать, производят отсчет показания ареометра по верхнему краю мениска жидкости. По округлен­ному значению температуры и плотности, определенной по шкале ареометра, находят плотность испытуемой жидкости при 20 °С по таблице стандарта.

Рис.6. Ареометр общего назначения

Удельный вес— физическая величина, равная отношению веса жидкости к объему, занимаемому ею:

где G — вес жидкости, Н; V — объем жидкости,м³; g — ускорение свободного падения, м/с².

Единица удельного веса в системе СИ—Н/м³.

Следует иметь в виду, что на разных географических широтах значения g различны. В гидравлических расчетах принимают  g = 9,81 м/с².

И. Ньютон (конец XVII века) экспериментально установил, что любой жидкости свойственна вязкость, то есть внутреннее трение. Вязкость приводит к возникновению сил трения между движущимися с различными скоростями слоями жидкости, а также между жидкостью и омываемым ею телом. Им же было установлено, что сила трения пропорциональна коэффициенту вязкости жидкости и градиенту (перепаду) скорости потока в направлении, перпендикулярном его движению. Жидкости, подчиняющиеся этому закону, называют ньютоновскими в отличие от неньютоновских жидкостей, у которых зависимость между силой вязкого трения и скоростью жидкости имеет более сложный характер.

Вязкость жидкости— свойство жидкости оказывать сопро­тивление сдвигу или относительному перемещению ее слоев. Различают динамическую и кинематическую вязкость жидкости.

Механизм возникновения динамической вязкости обусловлен тем, что при прямолинейном течении жидкости скорости частиц, расположенных в некотором поперечном сечении трубы (Рис. 7), различны, вследствие чего на поверхностях соприкасающихся слоев жидкости возникают силы трения. При этом слои жидкости, движущиеся медленнее, тормозят течение слоев, движущихся быстрее, и, наоборот, слои жидкости, движущиеся быстрее, увле­кают за собой слои жидкости, движущиеся медленнее. При таком движении элементарный слой abed смещается и переходит в со­стояние a'b'c'd'.

Рис. 7. Деформация слоя жидкости при течении

Скорость v сдвига количественно характеризуется градиентом скорости:                                           

grad v =dv/dl

Единица градиента скорости в системе СИ — 1 с-¹ — скорость сдвига слоев жидкости, равная 1 м/с, отнесенная к расстоянию между слоями жидкости, равному 1 м.

Определяющее уравнение для динамической вязкости выводится на основании закона внутрен­него трения Ньютона, согласно которому при прямолинейном слоистом течении жидкости каса­тельная сила T внутреннего трения, возникающая между соседними слоями жидкости, пропорцио­нальна площади S трущихся слоев и градиенту скорости в направлении, перпендикулярном к направлению те­чения жидкости:

или   

Отсюда

Динамической вязкостью жидкости называется величина, рав­ная отношению касательного напряжения между слоями жидко­сти к градиенту скорости их сдвига.

Единица динамической вязкости в системе СИ — 1 Па-с. Па­скаль-секунда—динамическая вязкость жидкости, касательное напряжение в которой при ламинарном течении и при разности скоростей слоев, находящихся на расстоянии 1 м по нормали к направлению скорости, равной 1 м/с, равно 1 Па.

Кинематической вязкостью жидкостиназывается величина, равная отношению динамической вязкости к ее плотности при той же температуре 

Единица кинематической вязкости в системе СИ — 1 m²/c. Квадратный метр на секунду — кинематическая вязкость жидко­сти плотностью 1 кг/м³, динамическая вязкость которой равна 1 Па-с. На практике применяют дольную единицу кинематиче­ской вязкости— 1 мм²/с.

Вязкость жидкости зависит от различных факторов. Особенно сильно на вязкость влияет изменение температуры жидкости. С увеличением температуры вязкость жидкости умень­шается по нелинейному закону.

Вязкость жидкости увеличивается с увеличением давления. В приближенных расчетах при давлении до 20 МПа (около 200 кгс/см²) зависимость вязкости от давления обычно не учиты­вают.

На вязкость также влияет наличие воздуха в жидкости в рас­творенном и смешанном виде. При увеличении содержания воз­духа в жидкости вязкость ее уменьшается.

Существование сопротивления среды было обнаружено еще Леонардо да Винчи в XV столетии. Мысль, что сопротивление жидкости движению тела пропорционально скорости тела, впервые высказал английский ученый Дж. Уиллис. Ньютон во втором издании своей знаменитой книги «Математические начала натуральной философии» установил, что сопротивление состоит из двух членов, одного - пропорционального квадрату скорости и другого - пропорционального скорости. Там же Ньютон сформулировал теорему о пропорциональности сопротивления максимальной площади сечения тела, перпендикулярного направлению потока. Силу сопротивления тела, медленно движущегося в вязкой жидкости, рассчитал в 1851 году Дж. Стокс. Она оказалась пропорциональной коэффициенту вязкости жидкости, первой степени скорости тела и его линейным размерам.

Рис. 8. Капиллярные вискозиметры для различных жидкостей

Сущность метода определения кинематической вязкости при помощи капиллярного вискозиметра (ГОСТ 33—2000) заключается в измерении времени истечения определенного объема испытуемой рабочей жидкости -через его капилляр под влиянием силы тяже­сти (Рис.8).

Рис.9. Капиллярный вискозиметр типа ВЦЖТ

Капиллярный вискозиметр типа ВЦЖТ-4 (рис. 9.) представ­ляет собой V-образную стеклянную трубку. Он имеет левое и правое колена, измерительный резервуар 2 между метками М1 и М2, а также резервуары 1и 4. На левом колене вверху имеется отводная трубка 5 для надевания резиновой трубки. Нижняя часть правого колена выполнена в виде капиллярной труб­ки 3.

Метод определения кинематической вязкости следующий. На отводную трубку 5 надевают резиновую трубку. Далее, зажав левое колено и перевернув вискозиметр, опускают правое колено в сосуд с испытуемой жидкостью и засасывают ее с помощью резиновой груши до метки M2. Вынимают вискозиметр из сосуда и быстро возвращают в нормальное положение. Сливают из пра­вого колена избыток жидкости и надевают на конец колена рези­новую трубку. Вискозиметр устанавливают в термостат (баню) так, чтобы резервуар 1 был ниже уровня жидкости в термостате. После выдержки в термостате не менее 15 мин засасывают жидкость  в правое колено примерно до ¹/3 высоты резервуара 1. Затем отсоединяют резиновую трубку с правого колена, и жидкость под действием силы тяжести вытекает из резервуара 2 через капилляр­ную трубку 3. При этом определяют при помощи секундомера время Т перемещения мениска жидкости от метки М1 до метки М2.

Кинематическую вязкость (мм²/с) жидкости вычисляют по формуле

где с - постоянная вискозиметра, мм²/с² (определяют из паспорта); т—сред­нее арифметическое время истечения жидкости в вискозиметре, с.

Вязкость рабочей жидкости зависит от температуры и давления. Вязкость минеральных масел повышается с ростом давления (при давлении 15 МПа она может возрасти на 25 - 30 %) и снижается при увеличении температуры масла, что отрицательно сказывается на его смазывающей способности, поэтому предпочтительно применять масла, у которых зависимость вязкости от температуры выражена слабее. Вязкостно-температурные свойства масел по сравнению с аналогичными свойствами масел, принятых за эталон, оценивают с помощью индекса вязкости (ИВ), приводимого в регламентах всех современных масел. Масла с высоким значением ИВ меньше изменяют свою вязкость с ростом температуры.

С увеличением вязкости возрастают потери давления в гидросисте­ме, однако одновременно уменьшаются утечки, поэтому, как правило, более вязкие масла применяют в гидроприводах, работающих при повышенном давлении. Уменьшение вязкости рабочей жидкости уве­личивает утечки в гидромашине, что ухудшает ее параметры.

Для обеспечения работы гидропривода с большими скоростями при низких давлениях следует выбирать рабочую жидкость с меньшей вязкостью, так как вязкостные потери напора при больших скоростях потока значительны. При работе на больших давлениях - 32 МПа следует выбирать ра­бочую жидкость с большой вязкостью. Обычно вязкость ограничи­вает диапазон рабочих температур гидропривода

Сжимаемость жидкости— свойство изменять объем под дей­ствием давления. Количественно сжимаемость жидкости харак­теризуется модулем объемного сжатия Е.

Единица модуля объемного сжатия в системе СИ—1 Па. Из выражения определяют изменение объема жидкости 

Тепловое расширение жидкости — это свойство жидкости изменять объем (Рис.10) в процессе ее изобарического нагревания (при постоянном давлении). Количественно оно характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения

Рис.10. Тепловое расширение жидкостей:
а)  вода, керосин, спирт одного объема  при нормальной температуре;
б) разные объемы воды, керосина, спирта при нагреве  

Единица температурного коэффициента объемного расширения в системе СИ — 1 К¹ (температурный коэффициент объемного расширения, при котором изменение температуры на 1 К от принятой за начальную вызывает относительное изменение объема жидкости, равное единице).

Среднее значение температурного коэффициента объемного расширения при давлении от 0 до 15 МПа для минеральных жидкостей

Рабочая жидкость в гидроприводе является смазочной средой. Она осуществляет смазку трущихся поверхностей деталей гидро­машин и других гидравлических устройств, поэтому в объемных гидроприводах нет каких-либо специальных смазочных систем. Большое влияние на уменьшение износа деталей гидропривода оказывает смазывающая способность жидкости, определяемая прочностью образуемых жидких пленок на трущихся поверхностях.

Поскольку и потери давления, и утечки приводят к снижению КПД гидропривода, необходимо строго придерживаться рекомендаций завода-изготовителя по типу применяемых масел;  в противном случае возможны нарушение теплового режима гидросистемы узлов гидропривода (Рис.11).

 Рис.11. Гидролинии станка

Применяемые в гидроприводе рабочие жидкости должны иметь низкую температуру замерзания и высокие температуры кипения и вспышки.

Температура вспышки - температура, при которой пары масла, нагреваемого в открытом (Рис.12) или закрытом тигле, образуют с окру­жающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. За температуру вспышки в открытом тигле принимают температуру появления первого синего пламени над частью или всей поверхностью испытуемой рабочей жидкости.

 Рис. 12. Оборудование для определения температуры вспышки

Маловязкие жидкости часто характеризуются более низкой тем­пературой вспышки, определенной в закрытом тигле, вследствие содержания легколетучих продуктов распада, которые в открытом тигле рассеиваются раньше, чем их окажется достаточно для вспышки.

Температура вспышки в условиях хранения в резервуарах обыч­но несколько ниже температуры (до 10° С), определяемой стан­дартными методами, и зависит от объема резервуара и уровня жидкости. 

Таким образом, максимальная температура нагрева рабочей жидкости на нефтяной основе при работе системы должна быть на 10 — 15 ° С ниже температуры вспышки в  открытом тигле. 

Все многообразие применяемых в гидроприводах рабочих жид­костей можно разделить на две группы: на минеральной (нефтя­ной) и синтетической основах. 

Рабочие жидкости на нефтяной основе имеют сравнительно низ­кую верхнюю границу температурного диапазона и содержат раз­личные антиокислительные и антикоррозионные присадки.

Синтетические рабочие жидкости обладают высокотемператур­ными свойствами, негорючи. Один из основных недостатков син­тетических жидкостей - высокая стоимость, поэтому их применя­ют крайне редко - при необходимости обеспечить пожаробезопасную работу гидропривода при высоких температурах (до 350° С).

Температура застывания - температура, при которой жидкость (Рис. 13) загустевает настолько, что при наклоне пробирки на 45° его уровень в течение 1 мин остается неизменным.

Рис. 13. Специальные незамерзающие этиленгликолевые жидкости: антифризы

Температура застывания масла должна быть на 10 – 17 градусов С ниже наименьшей температуры эксплуатации гидропривода. 

Рабочие жидкости должны обладать физической, физической и химической стабильностью, т. е. способностью не изменять первоначальные физические, химические свойства и не расслаи­ваться на компоненты при значительных вибрациях в условиях применения, хранения и транспортирования.

Антиокислительная стабильность масла определяет долговеч­ность его работы в гидроприводах. При длительной эксплуата­ции появляются осадки смолистых веществ, вызывающие закли­нивание трущихся деталей, засорение малых отверстий, пониже­ние способности масла отделять воду и воздух. На скорость окис­ления существенно влияют температура масла, интенсивность его перемешивания, содержание в масле воздуха и воды, а так­же металлических загрязнений. Значительное каталитическое воздействие на процесс окисления оказывает присутствие мед­ных деталей (например, трубопроводов). При увеличении температуры от 50 до 70°С срок эксплуата­ции масла уменьшается вдвое в связи с резким увеличением скорости окислительных реакций.

Обычно в масле работающего гидропривода содержится до 6 % нерастворенного воздуха; после отстаивания в течение суток содержание воздуха уменьшается до 0,01 - 0,02 %. При давлении до 0,5 МПа в результате влияния нерастворенного воздуха модуль упругости масла резко снижается, поэтому в гидросистемах рекомендуется иметь подпор в сливных линиях.

В масле содержится также определенное количество раство­ренного воздуха (пропорциональное величине давления), ко­торый практически не влияет на физико-химические свойства масла, однако способствует возникновению кавитации.

Кавитация жидкости— это состояние движущейся жидкос­ти, при котором в результате снижения давления возникают газовые и паровоздушные пузырьки с последующим их разру­шением внутри жидкости.

Явление кавитации известно в науке и технике немногим больше сотни лет. Впервые обнаружил это явление английский ученый Рейнольд Фруд в 1894 году на английских миноносцах. «Кавитус» в переводе с латинского означает – «ВАКУУМ». Кавитация отличается от обычного кипения тем, что при повышении относительной скорости потока относительно тела понижается давление потока до давления насыщенных паров (ваккума). При этом жидкость/B> вскипает, и образуются кавитационные парогазовые пузырьки микроскопических размеров.

Кавитационные пузырьки, попадая в область повышенного давления, схлопываются (замыкаются, конденсируются) кумулятивными струйками в точки. В этих точках, а их огромное количество, кумулятивные эффекты приводят к точечному повышению давлений до десятков тысяч атмосфер, с образованием точечных температур в десятки тысяч градусов по Кельвину. Имеются расчётные данные, что температура внутри пузырьков может достигать 1500 градусов цельсия.

Рис.14. Вредные последствия кавитации – разрушение поверхностей деталей

Кроме того, резкое (внезапное) исчезновение кавитационных пузырьков приводит к образованию гидравлических ударов, и как следствие к созданию волны сжатия и растяжения в жидкости с ультразвуковой частотой. Если ударная волна встречает на своем пути препятствие, то она разрушает его поверхность. Кавитационных пузырьков довольно много и захлопывание их происходит много тысяч раз в секунду, поэтому кавитация может привести к значительным разрушениям (Рис.14).

Испаряемость жидкости. Испаряемость свойственна всем капельным жидкостям, однако интенсивность испарения неодинакова у различных жидкостей и зависит от условий, в которых она находится: от температуры, от площади испарения, от давления, и от скорости движения газообразной среды над свободной поверхностью жидкости (от ветра).  

Если объем пространства над жидкостью достаточно велик испарение продолжается  до исчезновения жидкости (выкипание чайника). Если объем недостаточно велик, часть молекул жидкости конденсируется и возвращается в жидкое состояние и испарение продолжается до наступления динамического равновесия, когда число испаряющихся и конденсирующихся молекул выравниваются. В окружающем жидкость пространстве устанавливается давление, называемое давлением насыщенных паров Рн.п. 

Чем больше давление насыщенных паров при данной температуре, тем больше испаряемость жидкости.

Дистилляция (лат. distillatio - стекание каплями) — перегонка, испарение жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров (Рис.15). Полученный конденсат называется дистиллятом, а не испарившаяся жидкость — кубовым остатком.

Рис.15. Дистилляция жидкости

Смазывающая способность – свойство жидкости (Рис.16) обеспечивать наименьшее трение и износ металлических поверхностей деталей под нагрузкой. При пуске механизмов или при разрыве несущего слоя масляной пленки, неровности соприкасающихся деталей контактируют друг с другом, возникают значительные силы трения, если смазывающая способность не будет обеспечена. Оценка смазывающей способности затруднительна, но принимается во внимание при конструировании изделий гидравлики.

                                      а)                                   б)                                          в)

Рис. 16. Применение смазывающих свойств:  
а) в подшипниках качения (солидол); б) в гидроприводе станка (индустриальное масло); в) в амортизаторах(графит)

Смазывающие свойства жидкостей, которые определяются обычно при испытании на машинах трения или при испытании самих амортизаторов на стенде. Так, амортизаторная жид­кость МГП-10, применяемая на старых моделях автомобиля ВАЗ, не обе­спечила достаточной износостойкости телескопических стоек автомобиля ВАЗ-2108, что потребовало разработки новой амортизаторной жидкости МГП-12. Амортизаторные жидкости не должны быть склонны к пенообразованию, так как это снижает энергоемкость амортизатора и нарушает условия смазки трущихся пар.

Важными характеристиками амортизатор­ных жидкостей являются такие, как стабильность против окисления, меха­ническая стабильность, испаряемость и совместимость с конструкцион­ными материалами, особенно резиновыми уплотнениями. В их состав, как правило, вводят различные добавки, улучшающие свойства жидкости.

Рабочие жидкости, применяемые в гидроприводах, подразделяют на четыре типа:

1. нефтяные;
2. синтетические;
3. водополимерные;
4. эмульсионные.

Нефтяные жидкости  получают из нефти (Рис.17) обычными методами переработки. Они имеют сравнительно низкую верхнюю границу температурного диапазона. В гидроприводах применяют следующие нефтяные рабочие жидкости:

- масло гидравлическое единое МГЕ-10А;

- авиационное гидравлическое масло АМГ10;

- всесезонное гидравлическое масло ВМГЗ (зимнего сорта) и др.

 Рис. 17. Нефтяные вышки для добычи нефти

 СОДЕРЖАНИЕ

Индустриальные масла. И-5А,И-8А, И-12А, И-20А, И-30А, И-40А, И-50А, а также ИГП-18, ИГП-30, ИГП-38, ИТД-220 — разновидности индустриальных масел.

Во все времена в различных отраслях промышленности стоял остро вопрос обеспечения длительной работы оборудования. Эта проблема была решена, когда появились индустриальные масла.

Рис. 18. Емкость с индустриальном маслом

Индустриальные масла (Рис.18) снижают трение и износ деталей и механизмов такого промышленного оборудования, как станки, прокатные станы, прессы. Для их производства используются нефти различных месторождений. Также в них добавляют различные растительные масла (сурепное, касторовое). Для улучшения эксплутационных свойств, как и в гидравлические, в индустриальные масла добавляют различные присадки: антикоррозионные (для предовращения коррозии деталей), противоокислительные (уменьшающие окисление), загущающие.

Ассортимен