1. Основные положения технической гидромеханики

1.1. Основные понятия и определения

Любое вещество может находиться в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Данные состояния различают по внешним и внутренним признакам. К внешним относятся: плотность, вязкость, сжимаемость, температура замерзания и др. Внутренние определяются структурой тела. С позиции микромира состояние вещества определяется по соотношению потенциальной и кинетической энергии микрочастиц, входящих в состав тела.

В газообразном состоянии молекулы движутся свободно, почти не испытывая притяжения друг к другу. Потенциальная энергия молекул газа незначительна, кинетическая энергия имеет большие значения, так как газообразное состояние наблюдается при достаточно высокой температуре.

Жидкое состояние того же вещества характеризуется более низкой температурой и, следовательно, меньшим значением кинетической энергии, потенциальная энергия молекул жидкости больше, чем молекул газа.

В твердых телах молекулы находятся ближе друг к другу, чем в жидкостях. Силы взаимодействия между микрочастицами велики и их перемещение из одной части пространства в другую затруднено.

С позиции микромира в технической гидромеханике жидкостью называют физическое тело, обладающее следующими свойствами:

1. Жидкость практически не изменяет свой объем при изменении давления или температуры (в этом случае жидкость похожа на твердое тело).

2. Жидкость обладает текучестью, т.е. способностью неограниченно изменять свою форму под действием сколь угодно малых сил, и принимает форму сосуда, в котором она находится (в этом случае жидкость отличается от твердого тела и сходна с газом).

Одним из важнейших принципов технической гидромеханики является принцип неразрывности, в основу которого положено представление о жидкости как о непрерывной среде, т.е. ее сплошности. При этом допускается деление жидкости на материальные частицы микромира. Размеры молекул и расстояния между ними ничтожно малы по сравнению с объектами, изучаемыми в технической гидромеханике (например, шероховатость поверхности золотника).

1.2. Жидкость и ее некоторые физико-механические характеристики

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

Плотностью (кг/м³) жидкости называется физическая величина, равная массе единицы ее объема, т. е. равная отношению:

,

где m — масса жидкости, кг; V — объем жидкости, м³.

В гидроприводе используют понятие давление жидкости, которое характеризует интенсивность сил, действующих со стороны жидкости на поверхность сосуда. Давление p 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 приведены на рис.1.1.

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

Д инамическая вязкость обусловлена тем, что при течении жидкости вдоль твердой стенки скорости ее слоев в плоскости сечения, перпендикулярной направлению потока, различны из-за внутренних сил трения между этими слоями, которые согласно закону Ньютона определяются по формуле

где  — динамическая вязкость; S — площадь поверхности слоя жидкости; dv /dy — градиент скорости; v — скорость жидкости; y — расстояние между слоями жидкости, измеренное перпендикулярно к направлению движения. Отсюда следует, что динамическая вязкость (Па*с) представляет собой силу трения, отнесенную 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:

φ =1 / μ.

Кинематическая вязкость (м²/с, мм²/с) определяется как отношение динамической вязкости к плотности:

 = μ / ρ.

Так как непосредственно (опытным путем) определить вязкость затруднено, то в практике применяют понятие условной вязкости (секунды Сейболта, градусы Энглера и др.), которая определяется как отношение времени истечения жидкости заданного объема при данной температуре к времени, за которое вытекает дистиллированная вода такого же объема.

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

С увеличением температуры жидкости T ее кинематическая вязкость уменьшается:

где ₅₀ - вязкость жидкости при температуре +50 °С, мм²/с; n - показатель степени, зависящий от ₅₀ (например, для ₅₀ =10 мм²/с n=1,7; для ₅₀ =20 мм²/с n= 2,0).

Вязкость технических жидкостей на практике определяется вискозиметрами.

Сжимаемость жидкости определяет ее свойство изменять объем под действием давления. Она характеризуется модулем объемной упругости жидкости Е (Па):

E = Δp/(ΔV/V),

где Δp - изменение давления, Па; ΔV - изменение объема, м³; V - первоначальный объем жидкости, м³.

Для минеральных масел Е= 1350...1700 МПа, для воды Е=2000 МПа, для силиконовых жидкостей E=1050 МПа, т.е. в 100 раз меньше, чем для стали (210⁵ МПа). Он увеличивается с увеличением давления и понижением температуры. Зависимость величины модуля упругости рабочей жидкости от температуры для масла МГЕ-10А, типичная для минеральных масел, приведена на рис. 1.1. При рассмотрении динамических процессов в гидросистемах с повышенным давлением (более 30 МПа) и при учете точности их работы сжимаемость рабочих жидкостей необходимо учитывать. В остальных случаях сжимаемостью жидкости обычно пренебрегают. Величина, обратная Е, называется коэффициентом объемного сжатия.

В гидросистемах рабочая жидкость не является однородной. В ней находится воздух как в растворенном, так и в нерастворенном состояниях. Наличие нерастворенного воздуха (обычно 5...15%) влияет на упругие свойства масла, понижая модуль упругости и снижает быстродействие гидросистем.

Тепловое расширение жидкости характеризует ее свойство изменять объем с повышением температуры. Количественно это определяется температурным коэффициентом объемного расширения

где ΔV- приращение объема, м³; Vo - начальный объем; м³, ΔT - приращение температуры, К. Для масел при давлении 0...15 МПа принимают  =(6...7) 10^-4 К^-1.

Температурное расширение вызывает повышение давления рабочей жидкости, находящейся в замкнутой емкости (приблизительно на 1,1 МПа при T=1 К). Это необходимо учитывать при проектировании гидросистем.

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

с=Q_t/ (m ΔT)=C / m ,

где Q_t - количество теплоты, Дж; m - масса жидкости, кг; ΔT - разность температур, К; С — теплоемкость жидкости, Дж/К.

Обычно в диапазоне температур 273...373 К (0...100° С) для минеральных масел C= 1,89 кДж/кг.

Теплопроводность жидкости (Вт/м²К) характеризует ее способность проводить тепло и определяется отношением теплового потока к площади поверхности, нормальной к тепловому потоку и градиенту температуры:

_t = Φ / S grad T,

где Ф — тепловой поток, Вт; S — площадь поверхности, м²; grad Т — градиент температуры, ⁰К / м.

Теплопроводность масел зависит от температуры и типа масла и при 288 К (или 15° С) _t=0,13 Вт/(м²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 град. его уровень в течение 1 мин остается неизменным. Эта характеристика существенна для работы гидросистем в условиях низких (ниже 260 К) температур. Температура эксплуатации гидроприводов должна быть на 15 – 18 град. выше температуры застывания.

Температурой вспышки называется температура, при которой пары масла, нагретого в оговоренных 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 и т.п.).

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

Рабочая жидкость должна обладать противозадирными свойствами, т.е. препятствовать контактированию трущихся поверхностей, и противоизносными свойствами, т.е. создавать пограничный слой смазки между трущимися поверхностями. 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 промышленных роботов удовлетворительным является использование рабочей жидкости от 7 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.